IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极结型晶体管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件,其具有自关断的特征。长期以来,IGBT(包括芯片)被垄断在少数IDM手上(FairChild、Infineon、TOSHIBA)。由于其在高压、大电流、高速等方面的优势是其他功率器件无法比拟的,因而在电力电子领域它是较为理想的开关器件,也被誉为“电力电子器件里的CPU”。
当前的新能源车的模块系统由很多部分组成,如电池、VCU、BSM、电机等,但是这些都是发展比较成熟的产品,国内外的模块厂商已经开发了很多,但是有一个模块需要引起行业内的重视,那就是电机驱动部分,则是电机驱动部分最核心的元件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管芯片)。
在新能源汽车中,IGBT其实是很重要的一部分,它对于一辆汽车的稳定性与安全性有着至关重要的影响。那么,我们就先来看看IGBT是什么。一、IGBT产生的背景在半导体领域中功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心,主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等。功率半导体细分为功率器件(分立器件的一支)和功率IC(集成电路的一支)。从技术发展来看,功率分立器件的演进路径基本为二极管到晶闸管到MOSFET再到IGBT,其中,IGBT是功率半导体新一代中的典型产品。功率器件按照驱动方式可以分为两大类,分别是电压型控制器件和电流型控制器件。电压型控制器件主要是通过改变调节控制端电压来控制器件的开通与关断,而电流型控制器件则主要是通过改变调节控制端电流大小来控制器件的开通与关断。电流控制型器件的共同特点是导通损耗小,所需驱动功率小,但是驱动电路复杂,工作频率较低,如晶闸管、二极管、BJT等。而电压控制型器件的共同特点在于输入阻抗高、所需驱动功率小、驱动电路简单、工作频率高,如IGBT、MOSFET等。MOSFET主要应用于中小功率场合如电脑功率电源、家用电器等,具有门极输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快、开关损耗小的特点。但随着下游应用发展越来越快,MOSFET的电流能力显然已经不能满足市场需求。为了在保留MOSFET优点的前提下降低器件的导通电阻,人们曾经尝试通过提高MOSFET衬底的掺杂浓度以降低导通电阻,但衬底掺杂的提高会降低器件的耐压。如果在MOSFET结构的基础上引入一个双极型BJT结构,就不仅能够保留MOSFET的原有优点,还可以通过BJT结构提高器件的电流能力。BJT即为双极型晶体管,俗称三极管,在三极管中,空穴电子和自由电子都参与导电,称为双极型器件;而MOS管只有多子导电,称为单极型器件。在放大状态工作时,三极管发射结正偏,有基极电流,相应的输入电阻较小,约为103Ω。由于BJT 是双极性器件,在工作过程中,器件结构漂移区中有注入载流子贮存时间,导致其不能在高频下工作。在经过技术上的不断改进后,结合了两者优势的IGBT应运而生。目前,IGBT已经能够覆盖从600V~6500V的电压范围,应用涵盖从工业电源、变频器、新能源汽车、新能源发电到轨道交通、国家电网等一系列领域。IGBT凭借其高工作频率、高电流性能、开关损耗小等优点在庞大的功率器件世界中赢得了自己的一片领域。