20世紀(jì)中期出現(xiàn)了功率器件，經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，MOS和BJT技術(shù)的結(jié)合催生出IGBT技術(shù)。IGBT經(jīng)過(guò)不斷更新，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于車輛、焊接、航天航空等領(lǐng)域。本文介紹了IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)其在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行闡述，有助于從業(yè)者全面深入了解IGBT原理及其在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。

隨著全球變暖和環(huán)境惡化加劇，為了緩解節(jié)能減排的壓力，我國(guó)提出了高目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，我國(guó)大力扶持發(fā)展新能源汽車。電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的核心能源轉(zhuǎn)換單元式牽引逆變器，它可以將電池輸出的直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟?。車輛在工作時(shí)頻繁起停導(dǎo)致逆變器中的功率半導(dǎo)體器件需要承受各種沖擊力。逆變器的功率密度和電動(dòng)汽車的動(dòng)力輸出密切相關(guān)。車規(guī)級(jí)功率模塊的功率半導(dǎo)體器件主要包括碳化硅基功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。

IGBT屬于復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，它由雙極型三極管、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管兩個(gè)部分構(gòu)成，具有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降等優(yōu)點(diǎn)。電力晶體管的飽和壓較低，載流密大，但工作電流較大；金氧半場(chǎng)效晶體管工作功率小，通斷速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT導(dǎo)通后的功耗很小，可以看作導(dǎo)線，斷開(kāi)時(shí)的電阻很大，可以看作開(kāi)路，具有高壓、大電流、高速三大特點(diǎn)，工作功率小飽和壓降低，適用于直流電壓為600 V及以上的變流系統(tǒng)。由于電動(dòng)汽車對(duì)功率器件的耐壓性、耐高溫性、散熱性、穩(wěn)定性等性能具有很高的要求，IGBT相對(duì)MOSFET晶體管具有更優(yōu)的綜合性能，因此，IGBT成為目前電動(dòng)汽車逆變器上的主流功率器件，并且發(fā)展?jié)摿薮蟆?  IGBT的結(jié)構(gòu)   IGBT有柵極G、集電極c和發(fā)射極E，屬于三端器件。IGBT具有兩層P+注入?yún)^(qū)，這兩個(gè)區(qū)域構(gòu)成了一個(gè)面積較大的PN結(jié)J1。當(dāng)IGBT接入電路工作時(shí)，部分載流子從注入?yún)^(qū)P+發(fā)射到基區(qū)N，達(dá)到調(diào)至漂移區(qū)電導(dǎo)率的作用，因此，IGBT具有較強(qiáng)的通流能力。緩沖區(qū)介于P+注入?yún)^(qū)與N-漂移區(qū)之間的N+層。緩沖區(qū)有無(wú)IGBT表現(xiàn)出不同特性。有N+緩沖區(qū)的IGBT稱為非對(duì)稱型IGBT（也稱穿通型IGBT），具有正向壓降較小、犬?dāng)鄷r(shí)間短、關(guān)斷時(shí)尾部電流小等優(yōu)點(diǎn)，但其反向阻斷能力相對(duì)較弱。無(wú)N-緩沖區(qū)的IGBT稱為對(duì)稱型IGBT（也稱非穿通型IGBT）具有較強(qiáng)的正反向阻斷能力，它的其它特性與穿通型IGBT相比較差。

  IGBT驅(qū)動(dòng)電路   IGBT驅(qū)動(dòng)電路是由GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)導(dǎo)通與斷開(kāi)是通過(guò)控制柵極正負(fù)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)柵極電壓為正時(shí)，GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓管處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)柵極電壓為負(fù)時(shí)，GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓管處于斷開(kāi)狀態(tài)即不工作狀態(tài)。IGBT驅(qū)動(dòng)電路等效電路簡(jiǎn)圖如圖2所示。該電路可以放大單片機(jī)脈沖輸出的功率來(lái)間接驅(qū)動(dòng)IGBT功率器件工作。   IGBT與雙極型電力晶體管的伏安特性曲線相似。當(dāng)控制電壓UGE增加，特性曲線向上移動(dòng)，改變UGE的電平可以控制IGBT的狀態(tài)（截至狀態(tài)、飽和狀態(tài)），因此常用在電源的開(kāi)關(guān)中。  

IGBT的工作原理   IGBT可以看成一個(gè)PNP型晶體管（通過(guò)MOSFET驅(qū)動(dòng)），與普通的PNP型晶體管相比，它的基區(qū)更厚，等效電路如圖1（b）所示，圖中的RN為PNP晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻，MOSFET為N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管，這種結(jié)構(gòu)的IGBT稱為N溝道IIGBT，其符號(hào)為N-IGBT。類似的還有P溝道IGBT，即P-IGBT。   IGBT的電氣圖形符號(hào)如圖1（c）所示，IGBT是—種場(chǎng)控器件，它的開(kāi)通和關(guān)斷由柵極和發(fā)射極間電壓UCE決定，若開(kāi)啟電壓UCE（th）值小于柵射電壓UCE并且柵極電壓為正值，PNP型晶體管接收MOSFET內(nèi)部溝道中的電流，IGBT導(dǎo)通。這時(shí)，從P+區(qū)進(jìn)入N-區(qū)的載流子對(duì)N-區(qū)實(shí)施電導(dǎo)調(diào)制，電阻RN（N-區(qū)）會(huì)逐漸降低，IGBT獲得一個(gè)較小的通態(tài)壓降。若柵射極間電壓UCE等于零或者為反向電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)不會(huì)形成溝道，沒(méi)有載流子從P+區(qū)進(jìn)入N-區(qū)對(duì)N-區(qū)實(shí)施電導(dǎo)調(diào)制，晶體管內(nèi)沒(méi)有基極電流，IGBT不工作即關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)原理如下所示。   當(dāng)UCE為負(fù)時(shí)：J3結(jié)處于反偏狀態(tài)，器件呈反向阻斷狀態(tài)。   當(dāng)UCE為正時(shí)：UC< UTH，溝道不能形成，器件呈正向阻斷狀態(tài)；UG>UTH，絕緣門(mén)極下形成N溝道，由于載流子的相互作用，在N-區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，使器件正向?qū)ā?  1. 導(dǎo)通   IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET的區(qū)別在于，IGBT比功率MOSFET多了P+基片和一個(gè)N+緩沖層（IGBT沒(méi)有NPT-非穿通結(jié)構(gòu)），在管體的P_區(qū)和N+區(qū)之間應(yīng)用基片建立了一個(gè)J1結(jié)。若正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時(shí)，IGBT內(nèi)部形成N溝道，此時(shí)溝道內(nèi)形成電子流并形成一股電流。當(dāng)形成的電子流的電壓在0.7 V范圍內(nèi)，P_區(qū)和N+區(qū)建立的J1處于正向偏壓，N-區(qū)內(nèi)進(jìn)入部分空穴，這些空穴會(huì)改變N-區(qū)與N+區(qū)之間的電阻率，這種調(diào)節(jié)方式降低了IGBT導(dǎo)通的能耗，同時(shí)驅(qū)動(dòng)了第二個(gè)電荷流。兩種不同的電流拓?fù)?，即一個(gè)MOSFET電子流和一個(gè)空穴電流（雙極），臨時(shí)出現(xiàn)在半導(dǎo)體內(nèi)。   2. 導(dǎo)通壓降   應(yīng)用電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)可以降低電阻RN的值，減少通態(tài)壓。所謂通態(tài)壓降，是指IGBT進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)的管壓降UDS，這個(gè)電壓隨UCS上升而下降。   3. 關(guān)斷   柵極在得到一個(gè)負(fù)偏壓或柵極電壓低于門(mén)限值時(shí)，將不會(huì)形成溝道，N-區(qū)內(nèi)不會(huì)有空穴進(jìn)入。所有情況下，在開(kāi)關(guān)階段若MOSFET的電流下降速度過(guò)快均會(huì)引起集電極電流的降低，此時(shí)閡為換向開(kāi)始后，少數(shù)的載流子任然存留在N區(qū)內(nèi)。關(guān)斷時(shí)電荷的密度會(huì)直接影響降低殘余電流值。電荷的密度與雜質(zhì)摻入的數(shù)量和拓?fù)?、層次的厚度和溫度等因素有關(guān)，因此，降低殘余電流值（尾流）受多種因素影響，具有不確定性。集電極電流受N區(qū)內(nèi)殘留的部分載流子的衰減影響，出現(xiàn)特征尾流波形。集電極特征尾流會(huì)導(dǎo)致功耗變大、導(dǎo)通錯(cuò)亂等問(wèn)題。這種問(wèn)題在續(xù)流二極管的設(shè)備上會(huì)更加凸顯。   因?yàn)闅堄嚯娏髋c少數(shù)的載流子的重組具有緊密的關(guān)系，所以，殘余電流的電流值應(yīng)與芯片的Tc、IC、UCE、空穴移動(dòng)性有重要的關(guān)系。   4. 反向阻斷   若集電極得到反向電壓，P_區(qū)和N+區(qū)J結(jié)會(huì)受到反向偏壓影響，同時(shí)因?qū)用婧穸冉档吞螅钄嗄芰?huì)喪失，耗盡層則會(huì)向N-區(qū)擴(kuò)展，此外，若區(qū)域尺寸增加超過(guò)一定的值，壓降也會(huì)連續(xù)地變大。   5. 正向阻斷   若集電[敏感詞]子獲得正電壓且把柵極和發(fā)射極進(jìn)行短接，P_區(qū)和N+區(qū)之間的J結(jié)受反向電壓控制。   6. 閂鎖   PNPN晶閘管寄生在ICBT的集電極與發(fā)射極之間。晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖。在一定條件下，PNPN晶閘管會(huì)導(dǎo)通，集電極與發(fā)射極之間電流量變大，控制等效MOSFET的能力會(huì)下降，常常會(huì)引起器件的擊穿問(wèn)題。   IGBT與電動(dòng)汽車IGBT芯片發(fā)展歷程   回顧功率器件過(guò)去幾十年的發(fā)展，20世紀(jì)60年代，雙極型器件通態(tài)電阻很小，電流控制，控制電路復(fù)雜且功耗大。隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)學(xué)術(shù)界提出了簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，降低制造成本和開(kāi)關(guān)能耗、通態(tài)壓降的要求。20世紀(jì)90年代，IGBT在MOS與BJT集成技術(shù)研究的背景下被制造出來(lái)。   IGBT的出現(xiàn)并不是為了電動(dòng)汽車服務(wù)，但是，隨著全球環(huán)境的惡化，電動(dòng)汽車得到了發(fā)展，IGBT逐漸開(kāi)始應(yīng)用在汽車、交通等領(lǐng)域，并隨著電動(dòng)汽車與IGBT的共同發(fā)展，IGBT芯片成為電動(dòng)汽車不可或缺的一部分。電動(dòng)汽車IGBT芯片發(fā)展歷程如圖3所示。   [敏感詞]代：IGBT的雛形，需要依靠提高N-drift來(lái)提高耐壓，關(guān)斷功耗和導(dǎo)通電阻都比較高，由于以上因素，[敏感詞]代IGBT止步于實(shí)驗(yàn)室未得到普及使用。   第二代：PT-IGBT，耗盡層未能穿透N+緩沖層，基區(qū)電場(chǎng)加強(qiáng)呈梯形分布，通過(guò)降低芯片厚度來(lái)降低功耗。西門(mén)子公司是當(dāng)時(shí)生產(chǎn)IGBT器件的代表性公司。20世紀(jì)末，西門(mén)子公司生產(chǎn)的BSM150GB120DN1（DN1表示[敏感詞]代產(chǎn)品），在600V電壓上具有良好的表現(xiàn)，但當(dāng)電壓升至1200 V時(shí)，外延厚度變大，成本相對(duì)較高，同時(shí)可靠性降低（摻雜濃度及厚度的均勻性差）。   第三代：NPT-IGBT，離子注入技術(shù)取代外延技術(shù)生成P+集電極（透明集電極技術(shù)），可以很好地控制結(jié)深同時(shí)保證盡可能低的發(fā)射效率。關(guān)斷損耗是通過(guò)加快載流子抽取速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。基本不影響基區(qū)原有的載流子壽命，同時(shí)對(duì)穩(wěn)態(tài)功耗的影響幾乎可以忽略不計(jì)，此時(shí)的IGBT已經(jīng)具備正溫度系數(shù)的特點(diǎn)，在穩(wěn)態(tài)損耗和關(guān)斷損耗間表現(xiàn)不俗。此時(shí)，IGBT代表性公司依然是西門(mén)子，其突破性地采用區(qū)熔法代替外延的批量產(chǎn)品。   第四代：Trench-IGBT，第四代較以往具有較大的改進(jìn)，這次運(yùn)用Trench結(jié)構(gòu)，溝道從以前的表面移動(dòng)到了垂直面上，增強(qiáng)了基區(qū)的PIN效應(yīng)，增大了柵極附近載流子的濃度，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)有了一定的提升，導(dǎo)通電阻得到了降低，消除了JFET效應(yīng)，柵極密度可以按需求增加。并且，第四代繼續(xù)繼承了第三代的集電極P+implant技術(shù)，引入了PT技術(shù)作為場(chǎng)終止層，提高了耐壓能力。英飛凌代替西門(mén)子成為引領(lǐng)企業(yè)，其減薄技術(shù)當(dāng)時(shí)世界[敏感詞]，1200 V的時(shí)候，它的厚度可以做到120~140 um之間，600V時(shí)可以做到70 um以下。   第五代及第六代：第五代FS-IGBT和第六代的FS-Trench是在以前四次技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)各種技術(shù)措施的重新組合。第五代IGBT是第四代產(chǎn)品“透明集電區(qū)技術(shù)”與“電場(chǎng)中止技術(shù)”的結(jié)合。第六代產(chǎn)品與第五代產(chǎn)品的區(qū)別是改進(jìn)了溝槽柵結(jié)構(gòu)。   IGBT在電動(dòng)汽車領(lǐng)域應(yīng)用   IGBT作為新型功率半導(dǎo)體器件的主流器件，在軌道交通、新能源汽車等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。目前，隨著生活節(jié)奏的加快，市場(chǎng)對(duì)新能源汽車的功率、安全、價(jià)格提出了更高的要求，IGBT的電流密度、功率損耗、穩(wěn)定性起著重要的作用。

電動(dòng)汽車的發(fā)展與IGBT模塊的發(fā)展密不可分，電動(dòng)汽車、充電樁及其相關(guān)設(shè)備都離不開(kāi)IGBT技術(shù)的支持。電動(dòng)汽車生產(chǎn)成本中，IGBT模塊占比超過(guò)了10%，在充電樁生產(chǎn)成本中占比接近１/５。IGBT在電動(dòng)汽車領(lǐng)域主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：   1.電動(dòng)汽車的控制系統(tǒng) IGBT技術(shù)用來(lái)控制大功率直流/交流（DC/AC）逆變?nèi)缓罂刂齐姍C(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，變流器是交流傳動(dòng)系統(tǒng)中牽引核心部件，IGBT又是牽引變流器的關(guān)鍵部件。   2.車載空調(diào)控制系統(tǒng)使用電流較小的IGBT和FRD控制小功率直流/交流（DC/AC）逆變。   3.充電樁 IGBT模塊在智能充電樁中作為開(kāi)關(guān)元件使用。   結(jié)語(yǔ)  

IGBT器件在大電流密度、低損耗優(yōu)化技術(shù)、高溫高壓技術(shù)和智能集成技術(shù)方面，均有較好的性能，在新能源汽車的功率模塊上得到了廣泛應(yīng)用，具有較好的前景。但是，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車IGBT芯片優(yōu)化技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用還需要進(jìn)一步優(yōu)化溝槽柵精細(xì)程度、耐高溫高壓性、多功能集成技術(shù)等。

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