為什么新能源汽車上要用到IGBT？

攻城獅華哥

關注新能源車的朋友應該都知“IGBT”這個詞，如果你去4S店買新能源車在談到提車時間時，銷售可能都會說由于芯片產(chǎn)能的不足，缺“芯片”導致整車的交付時間加長。這個“缺芯片”中也包含新能源汽車上必不可少IGBT。

受益于新能源汽車、新能源發(fā)電等需求推動，實際上，部分IDM廠在年中即公開表態(tài)，訂單一路接滿至2023年，雖難排除有部分客戶可能是超額下單(overbooking)。IGBT是新能源汽車中的核心元器件，目前全球供應主要仍集中在國際整合元件廠(IDM)。機構認為，受益于國內(nèi)新能源車的高速發(fā)展，新能源車IGBT在2020年已成為中國IGBT第一大應用領域，占比約30%。

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今天主要從技術的角度，具體來聊聊IGBT吧。

相比于傳統(tǒng)汽車，新能源汽車的生產(chǎn)需要用到的芯片可達到500-800個，有的甚至超過1000個不同類型的芯片。這遠遠超過了傳統(tǒng)的燃油車。汽車的芯片種類主要包括主控芯MCU、存儲芯片、傳感器類器件、IGBT功率類芯片、其次是信號鏈類的通信芯片。

IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor），可以等效看做是MOS管和三極管的結(jié)合體。

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圖片來源：華秋商城

回顧三極管和MOS的工作原理&特點：
01 先來了解下三極管:

三極管屬于電流控制型，通過在基極施加一個很小的電流，可以在集電極和發(fā)射極之間獲得更大的電流通過。在電路中應用的最多的放大作用和開關作用。

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如上圖所示，PNP三極管Q1在電路中屬于開關作用，當開關KEY1按下時Q1的基極與電源GND導通，電流此時從Q1的集電極流向發(fā)射極，LED1被點亮。圖中Q1是一個普通的三極管，Ice僅僅只有幾百mA。驅(qū)動一個發(fā)光二極管是綽綽有余的。

在一些需要大電流的驅(qū)動場景就需要一個叫GTR（Giant Transistor）的三極管，GTR 是三極管的一種，屬于巨型晶體管，由于可工作在高電壓、高電流下，也稱電力晶體管。GTR也是屬于電流驅(qū)動型器件，導通后集電極和發(fā)射極之間的導通電阻非常小，載流密度非常大，可以做到很高的通路電流。但是在大功率應用場景下時需要消耗較高的驅(qū)動電流，此時就要尋求新的突破點。

02 MOS管如何呢？

MOS管，又稱為絕緣柵場效應管，注意幾個詞“絕緣”、“場效應”。這將是MOS與三極管最大的不同之處。

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MOS管從結(jié)構上主要特點是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層，因此具有很高的輸入阻抗。這就是其名稱中“絕緣”一詞的由來。

由于絕緣層的存在，在柵極與源極之間加電壓后，是通過電場的作用下吸引載流子形成導電溝道，所以工作原理可以理解為它是利用VGS來控制“感應電荷”的多少，以改變由這些“感應電荷”形成的導電溝道的狀況，然后達到控制漏極電流的目的。所以這就是其名稱中“場效應”的來源。

在一些高電壓驅(qū)動場景中，需要高耐壓的MOS，這樣就要從構造上做調(diào)整，內(nèi)部結(jié)構就要做的很厚，同時帶來的新的問題就是導致導通電阻增大。不同耐壓的MOS管，其導通電阻中各部分電阻比例分布也不同。

比如耐壓30V的MOS管，其外延層電阻僅為總導通電阻的29%，耐壓600V的MOS管的外延層電阻則是總導通電阻的96.5%。想要獲得高阻斷電壓，就必須采用高電阻率的外延層，并且厚度增加。這就是高耐壓MOS的導通電阻高的原因。

03 總結(jié)三極管和MOS管的優(yōu)缺點：

三極管（特指GTR巨型晶體管）

• 優(yōu)點：載流子多，導通電阻小；
• 缺點：電流控制方式，消耗較大的驅(qū)動電流；
  

MOS（特指高壓MOS）

• 優(yōu)點：輸入阻抗大，幾乎不消耗驅(qū)動電流。
• 缺點：導通電阻大。
  

那么在一些高壓大電流的驅(qū)動場景應該如何選擇呢？對于合格高效的電路來講，以上MOS管和三極管的任何一個的缺點都是不被允許的存在的，會大大影響電路的工作效率，同時會產(chǎn)生比較難克服的熱量，影響整個產(chǎn)品的壽命。

IGBT的誕生

IGBT誕生了，如前面所講，IGBT是由MOS管和三極管結(jié)合組成的，既然要結(jié)合，那么肯定要繼承兩者的優(yōu)良基因。所以IGBT相較于三極管和MOS管的特點就是高耐壓、大通路電流、低導通阻抗、不消耗驅(qū)動電流，非常適合大功率驅(qū)動場景。

如下圖是IGBT構造示意圖，相當于在MOS管的基礎上再疊加一個三極管。通過PNP和NPN的組合構成了PNPN的排列，這樣同時就實現(xiàn)如其名字的特點，“絕緣柵”和“雙極性”。

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如下圖所示，從它的等效電路圖來看，當在柵極加正向電壓后，MOS管導通，這樣PNP三極管的集電極與基極形成低阻狀態(tài)，此時三極管也就相繼導通，這樣相當于IGBT的集電極和發(fā)射極導通。當柵極電壓取消或負壓時，IGBT的集電極和發(fā)射極關斷。這樣IGBT就實現(xiàn)了MOS管的高輸入阻抗和晶體管的低導通電阻特性，可以當做開關應用在大功率的驅(qū)動電路中。

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IGBT的應用

IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷�，也被稱為電力電子裝置的“CPU”，主要應用在航空航天、軌道交通、智能電網(wǎng)、、電動汽車與新能源裝備等領域。

如下是仙童半導體的FGH60N60SMD規(guī)格參數(shù),主要應用在太陽能逆變器UPS，焊機等領域，可以看到耐壓可以達到600V，Ice在常溫下可以達到120A。

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新能源汽車為什么會用到IGBT呢？
新能源汽車是通過電池驅(qū)動電機來給汽車提供動力輸出的，所以存在交流市電給汽車電池充電和電池放電來驅(qū)動電機使汽車行駛的場景。這兩個過程都是需要通過使用IGBT設計的電路來實現(xiàn)。

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01 應用在充電樁
220V交流市電給電池充電時，需要通過IGBT設計的電源轉(zhuǎn)換電路將交流電轉(zhuǎn)變成直流電給電池充電，同時要把220V電壓轉(zhuǎn)換成適當?shù)碾妷阂陨喜拍芙o電池組充電。

比如特斯拉的快充為高功率直流電充電，充電功率一般可達40kW以上，把電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)化成直流電，輸送到汽車的快充口，電能直接進入電池充電。


02 應用在電機驅(qū)動
新能源汽車使用的是三相異步交流電機，電池的直流電是不能直接驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動的，電池放電驅(qū)動電機的時候，通過IGBT組成的電路，把直流電轉(zhuǎn)變成交流電機使用的交流電，同時起到對交流電機的變頻和變壓的控制。

如下是直流電源利用IGBT的開關作用來驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動的簡單示意圖，控制器負責輸出控制IGBT1~6的開啟和關閉的信號，從而將電池的直流電轉(zhuǎn)換為可驅(qū)動三相異步交流電機轉(zhuǎn)動的交流電。

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03 應用在車載空調(diào)

新能源汽車車載空調(diào)的工作原理與電動驅(qū)動相同，即通過逆變器將電池的直流電轉(zhuǎn)換成交流電后，驅(qū)動空調(diào)壓縮機電機進行工作。

04 逆變器

有些新能源車還配備了向外輸出220V/50Hz交流的接口，這個過程是將電池的直流電通過逆變電路轉(zhuǎn)換為交流電，這個過程中IGBT同樣是不可或缺的器件。

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結(jié)語

IGBT是功率半導體器件，可以說是電動車的的核心技術之一，IGBT的好壞直接影響電動車功率的釋放速度。特斯拉Model X使用132個IGBT管，其中后電機為96個，前電機為36個IGBT約占電機驅(qū)動系統(tǒng)成本的一半，IGBT是除電池之外成本第二高的元件，也決定了整車的能源效率。