汽车级大功率IGBT现状及在汽车上的应用

浏览:138 作者: 来源: 时间:2019-08-19 分类:行业新闻


新能源汽车区别于传统汽车最核心的技术是三电系统:电池、电机和电控。电机控制系统是新能源汽车产业链的重要环节,电控系统的技术水平直接影响整车的性能和成本。其中,电控系统应用的核心部件——IGBT 拥有高输入阻抗、高速开关和导通损耗低等特点,在高压系统中担负着极其重要角色。

汽车级大功率IGBT现状及在汽车上的应用


电控系统应用的IGBT有哪些作用?


在主逆变器(Main Inverter)中,IGBT 将高压电池的直流电转换为驱动三相电机的交流电;


在车载充电机(OBC)中,IGBT 将 220 V 交流电转换为直流并为高压电池充电;


在 PTC、DC/DC、水泵、油泵、空调压缩机等应用中都会使用到 IGBT。


因此,加强对汽车级 IGBT 及其封装技术的研究是推动新能源汽车技术升级的关键。



汽车级IGBT 是如何应用与汽车的?


纯电动与插电式混合动力汽车的需求日益增长,目前市场上销售的新能源汽车所搭载的功率半导体多数为硅基器件,如 IGBT 和 MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)。

IGBT优点是导通压降小、耐压高,输出功率可到 100 kW 以上;缺点是开关频率较低,一般为 20 kHz 以下。目前,专为OBC、DC/DC 应用而开发的高速 IGBT 的开关频率可达 100 kHz 以上,性能已经达到相同规格 MOSFET 水平。


车载充电机是交流电和直流电转换的设备,充电机的高电压、高功率、高效率特性是保证充电功能的基础,提高输出电压及电流可有效缩短充电时间。车载充电机选择高频特性好、导通压降小、反向恢复快的功率器件,是提高充电效率的核心。另外,车载充电机需要经常在高温高湿环境中工作,元器件的可靠性不容忽视。因此,新能源汽车采用高性能的 IGBT是保障并提高电控系统高效性和可靠性的关键。


IGBT在汽车内的工作原理


IGBT芯片的内部结构结合了 MOSFET 的驱动优势及 BJT(双极性晶体管)的导通优势(如图所示)

在内部,IGBT 更像垂直结构的 MOSFET,不过它在漏极侧增加了高掺杂的 P + 层,称之为集电极。当栅极接负电压或者零电压时,IGBT 关断。这时发射极电压要远低于集电极电压即 IGBT 正向阻断,PN 结 J2 阻断。为了获得足够的阻断能力,必须使得 N - 区足够宽,且掺杂浓度要足够低。


如果 IGBT 的栅极接到正电压(通常是 +15 V),IGBT 进入导通状态。首先,在氧化层下面的 P 区建立反型导电沟道,为电子从发射极到 N - 区提供导电通路,从而降低 N - 区的电位,J1 导通。P + 区的少子(空穴)开始进入 N - 区,使得该区的少数载流子浓度超过多数载流子几个数量级(假设集电极电压足够高)。为了保持电荷中性,大量的自由电子从 N + 区吸引到 N - 区。由于载流子的注入,本来相对高阻的 N - 区的导电率迅速上升。这个过程称之为电导调制效应,它会显著降低 IGBT 的正向导通压降。IGBT 的 Vcesat 低于MOSFET 的扩散电压特别是在高压大电流的应用场合,所以 IGBT 的损耗要比 MOSFET 低。


IGBT技术经历了几个不同发展阶段,这些技术都是试图平衡 IGBT 的各种特性。IGBT 制造商利用不同的技术都是为了达到相同的目标,即不断提高 IGBT 的性价比,实现理想的开关特性。