車載功率半導(dǎo)體概述！汽車級(jí)大功率IGBT發(fā)展趨勢(shì)

引言

2016 年我國(guó)新能源汽車銷量約 43 萬(wàn)輛，2017年銷量約 72 萬(wàn)輛，增幅約為 66%。新能源汽車區(qū)別于傳統(tǒng)汽車最核心的技術(shù)是三電系統(tǒng)：電池、電機(jī)和電控（見(jiàn)圖 1）。

圖 1 新能源汽車三電系統(tǒng)

電機(jī)控制系統(tǒng)是新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)，電控系統(tǒng)的技術(shù)水平直接影響整車的性能和成本。其中，電控系統(tǒng)應(yīng)用的核心部件——IGBT 擁有高輸入阻抗、高速開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通損耗低等特點(diǎn)，在高壓系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著極其重要角色：

在主逆變器（Main Inverter）中，IGBT 將高壓電池的直流電轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)的交流電；

在車載充電機(jī)（OBC）中，IGBT 將 220 V 交流電轉(zhuǎn)換為直流并為高壓電池充電；

在 PTC、DC/DC、水泵、油泵、空調(diào)壓縮機(jī)等應(yīng)用中都會(huì)使用到 IGBT。

因此，加強(qiáng)對(duì)汽車級(jí) IGBT 及其封裝技術(shù)的研究是推動(dòng)新能源汽車技術(shù)升級(jí)的關(guān)鍵。

1. 車載功率半導(dǎo)體概述

純電動(dòng)與插電式混合動(dòng)力汽車的需求日益增長(zhǎng)，目前市場(chǎng)上銷售的新能源汽車所搭載的功率半導(dǎo)體多數(shù)為硅基器件，如 IGBT 和 MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管）。

MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)是較高的開(kāi)關(guān)頻率，可以工作在百 kHz 到 MHz 之間；缺點(diǎn)是耐壓低，在高電壓、大電流應(yīng)用中損耗非常大，因而限制了其應(yīng)用。IGBT 的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)通壓降小、耐壓高，輸出功率可到 100 kW 以上；缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率較低，一般為 20 kHz 以下。目前，專為OBC、DC/DC 應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的高速 IGBT 的開(kāi)關(guān)頻率可達(dá) 100 kHz 以上，性能已經(jīng)達(dá)到相同規(guī)格 MOSFET 水平，如圖 2 所示。

圖 2 IGBT/MOSFET 耐壓與開(kāi)關(guān)頻率對(duì)比

例如，車載充電機(jī)是交流電和直流電轉(zhuǎn)換的設(shè)備，充電機(jī)的高電壓、高功率、高效率特性是保證充電功能的基礎(chǔ)，提高輸出電壓及電流可有效縮短充電時(shí)間。車載充電機(jī)選擇高頻特性好、導(dǎo)通壓降小、反向恢復(fù)快的功率器件，是提高充電效率的核心。另外，車載充電機(jī)需要經(jīng)常在高溫高濕環(huán)境中工作，元器件的可靠性不容忽視。因此，新能源汽車采用高性能的 IGBT是保障并提高電控系統(tǒng)高效性和可靠性的關(guān)鍵。

1.1 純電動(dòng)汽車

純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成含主驅(qū)電機(jī)、減速器及主逆變器，其中功率半導(dǎo)體器件選型需要滿足主驅(qū)電機(jī)的額定及峰值功率輸出的要求。按高壓電池電壓細(xì)分為：

60 V/72 V 低壓系統(tǒng)：用于 A000 平臺(tái)，功率等級(jí)為 3 ～ 9 kW；

144 V/160 V 中壓系統(tǒng)：用于 A000/A00/A0平臺(tái)，功率等級(jí) 10 ～ 40 kW；

280 V/336 V/360 V 高壓系統(tǒng)：用于 A0/A/B/SUV 平臺(tái)，功率等級(jí) 50 ～ 180 kW。

上述低壓系統(tǒng)中，

由于功率小、電壓低，因此大多選用 MOSFET 單管并聯(lián)及其模塊方案；

中壓系統(tǒng)中，由于最高工作電壓已接近 200 V，因此可選用 MOSFET 單管并聯(lián)、IGBT 單管并聯(lián)或兩者的模塊方案；

高壓系統(tǒng)中，MOSFET 由于無(wú)法滿足高壓及大功率需求，因此可選用 IGBT 單管并聯(lián)及其模塊方案。

1.2 混合動(dòng)力汽車

混合動(dòng)力汽車廣義上含增程式、混合動(dòng)力及插電混合動(dòng)力汽車，動(dòng)力總成含發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速器和主逆變器。按機(jī)電耦合比例細(xì)分為：

弱混：48 V 啟停系統(tǒng)、高壓 BSG 系統(tǒng)；

中混：高壓 TM 系統(tǒng)、高壓 ISG 系統(tǒng)；

強(qiáng)混：高壓 TM/ISG（BSG）系統(tǒng)。

其中 48 V 啟停系統(tǒng)由于電壓較低，因此以MOSFET 并聯(lián)方案為主，其它中混、強(qiáng)混高壓系統(tǒng)中主要以大功率 IGBT 模塊方案為主。

2. IGBT 工作原理

IGBT 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)合了 MOSFET 的驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)及 BJT（雙極性晶體管）的導(dǎo)通優(yōu)勢(shì)（如圖 3 所示）。

圖 3 IGBT 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路

PNP 和 NPN 型的雙極性晶體管在導(dǎo)通時(shí)，少數(shù)載流子和多數(shù)載流子參與導(dǎo)電。在同等電壓和電流條件下，雙極性晶體管的導(dǎo)通壓降要低于 MOSFET 的導(dǎo)通壓降，后者只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電。導(dǎo)通時(shí)，MOSFET 需要的柵極驅(qū)動(dòng)能量小，而晶體管需要相對(duì)高的基極電流來(lái)維持整個(gè)導(dǎo)通周期。

在內(nèi)部，IGBT 更像垂直結(jié)構(gòu)的 MOSFET，不過(guò)它在漏極側(cè)增加了高摻雜的 P + 層，稱之為集電極。當(dāng)柵極接負(fù)電壓或者零電壓時(shí)，IGBT 關(guān)斷。這時(shí)發(fā)射極電壓要遠(yuǎn)低于集電極電壓即 IGBT 正向阻斷，PN 結(jié) J2 阻斷。為了獲得足夠的阻斷能力，必須使得 N - 區(qū)足夠?qū)?，且摻雜濃度要足夠低。

如果 IGBT 的柵極接到正電壓（通常是 +15 V），IGBT 進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。首先，在氧化層下面的 P 區(qū)建立反型導(dǎo)電溝道，為電子從發(fā)射極到 N - 區(qū)提供導(dǎo)電通路，從而降低 N - 區(qū)的電位，J1 導(dǎo)通。P + 區(qū)的少子（空穴）開(kāi)始進(jìn)入 N - 區(qū)，使得該區(qū)的少數(shù)載流子濃度超過(guò)多數(shù)載流子幾個(gè)數(shù)量級(jí)（假設(shè)集電極電壓足夠高）。為了保持電荷中性，大量的自由電子從 N + 區(qū)吸引到 N - 區(qū)。由于載流子的注入，本來(lái)相對(duì)高阻的 N - 區(qū)的導(dǎo)電率迅速上升。這個(gè)過(guò)程稱之為電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，它會(huì)顯著降低 IGBT 的正向?qū)▔航?。IGBT 的 Vcesat 低于MOSFET 的擴(kuò)散電壓特別是在高壓大電流的應(yīng)用場(chǎng)合，所以 IGBT 的損耗要比 MOSFET 低。

圖 4 IGBT 的導(dǎo)通壓降 Vce 與 Vgate 關(guān)系

IGBT 的輸出特性如圖 4 所示，如果 Gate 電壓不夠大，那么形成的反型層較弱，輸入漂移區(qū)電子數(shù)相對(duì)較少，導(dǎo)致 IGBT 的壓降增大，直接影響到導(dǎo)通損耗增大甚至因過(guò)溫?fù)p壞 IGBT。

如果 Gate-Emitter 電壓為零或者負(fù)壓，柵極的溝道重組將阻止自由電子繼續(xù)注入漂流區(qū)。此時(shí)，漂流區(qū)載流的濃度很高，所以大量的電子向集電極 P + 區(qū)移動(dòng)，而空穴向 P 區(qū)移動(dòng)。由于電子濃度逐漸拉平，載流子的移動(dòng)逐步停止，剩余的載流子只能依靠復(fù)合來(lái)移除。因而 IGBT 的關(guān)斷電流分為 2 個(gè)階段：（1）關(guān)斷反型溝道，導(dǎo)致電流迅速下降；（2）持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致 IGBT 產(chǎn)生拖尾電流。第一個(gè)階段被稱為 MOSFET 關(guān)斷，第二個(gè)階段稱為晶體管關(guān)斷。拖尾電流使得 IGBT 的關(guān)斷損耗高于 MOSFET 的關(guān)斷損耗。

如圖 3 所示的 IGBT 等效電路，其內(nèi)部存在寄生晶閘管，該晶閘管由 2 個(gè) BJT 組成。為了防止IGBT 意外導(dǎo)通（即閉鎖），可以在設(shè)計(jì)和制造 IGBT 時(shí)采用一些針對(duì)性的預(yù)防策略防止寄生的晶閘管導(dǎo)通。例如可以通過(guò)芯片金屬化的方法把 NPN 晶體管的基極與發(fā)射極短路來(lái)解決閉鎖問(wèn)題，這種技術(shù)可以保證晶體管的基極和發(fā)射極的電壓為 0，確保晶體管不會(huì)導(dǎo)通。這種設(shè)計(jì)可以通過(guò)局部提升 P 區(qū)的摻雜濃度或者選用更窄的 N + 區(qū)來(lái)改進(jìn)，前者可以通過(guò)降低歐姆電阻阻值來(lái)降低晶體管基極和發(fā)射極的電壓。

閉鎖可以發(fā)生在靜態(tài)開(kāi)通狀態(tài)（IGBT 已導(dǎo)通）和動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)狀態(tài)（IGBT 關(guān)斷過(guò)程），在這兩種情況下通過(guò) IGBT 電流值的大小是決定發(fā)生閉鎖的關(guān)鍵參數(shù)。電流越大，越易發(fā)生閉鎖。但是根據(jù)前面提到的設(shè)計(jì)，目前大多數(shù) IGBT 在一定的電流范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生閉鎖。值得注意的是，這個(gè)電流范圍一般指 2 倍的標(biāo)稱電流之內(nèi)。

自從 20 世紀(jì) 80 年代中期研發(fā)出第一只 IGBT 器件以來(lái)，IGBT 技術(shù)經(jīng)歷了幾個(gè)不同發(fā)展階段，這些技術(shù)都是試圖平衡 IGBT 的各種特性，其中有些參數(shù)是互相矛盾的。例如：降低導(dǎo)通損耗、降低開(kāi)通和關(guān)斷損耗、優(yōu)化器件開(kāi)關(guān)的特性、提高電流密度、提升耐壓等級(jí)、減少半導(dǎo)體材料（同等電壓和電流能力下，減少芯片厚度和面積）、提升最高工作節(jié)溫、擴(kuò)展 SOA（安全工作區(qū)）特別是 RBSOA（反偏安全工作區(qū)）和 SCSOA（短路安全工作區(qū)）。

IGBT 制造商利用不同的技術(shù)都是為了達(dá)到相同的目標(biāo)，即不斷提高 IGBT 的性價(jià)比，實(shí)現(xiàn)理想的開(kāi)關(guān)特性。

3. 汽車級(jí)大功率 IGBT 發(fā)展趨勢(shì)

IGBT 在新能源汽車中的應(yīng)用目前分為單管并聯(lián)和模塊 2 種。單管方案隨并聯(lián)數(shù)量增加，其技術(shù)難度及成本呈非線性上升關(guān)系；IGBT 模塊采用框架式結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短、可靠性高，極大地降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

因此，IGBT 模塊已在全球新能源汽車中得到了非常廣泛的應(yīng)用。隨著市場(chǎng)對(duì)于整車性能要求的迅速提高，汽車級(jí)大功率 IGBT 呈現(xiàn)出高電壓、高效率、高功率密度和高可靠性的發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 專用的汽車級(jí) IGBT 芯片

無(wú)論是芯片技術(shù)、生產(chǎn)工藝、測(cè)試流程都是為汽車級(jí)應(yīng)用量身定制的。芯片最高工作節(jié)溫由150 ℃ 提升至 175 ℃，相同厚度的芯片耐壓由 650 V 提升至 750 V，相同芯片面積下電流能力提升 20%，門級(jí)電荷量降低至之前的 70%。同時(shí)將電流傳感器和溫度傳感器集成在 IGBT 芯片上，實(shí)現(xiàn)更加及時(shí)和準(zhǔn)確的采樣。

3.2 先進(jìn)制造工藝

IGBT 的制造工藝水平也在不斷提升，諸多先進(jìn)制造工藝如離子注入、精細(xì)光刻等被應(yīng)用到 IGBT 制造上。芯片制造過(guò)程中的最小特征尺寸已由 5 μm 降至 1 μm。硅片尺寸從 8 英寸轉(zhuǎn)換為12 英寸，通過(guò)提高硅片切割的利用率來(lái)降低 IGBT芯片成本。

3.3 優(yōu)化的封裝技術(shù)

由于芯片技術(shù)的不斷完善，芯片的最高工作節(jié)溫及功率密度不斷提高。因此，IGBT 模塊封裝技術(shù)將圍繞著芯片焊接可靠性、芯片與功率端子互聯(lián)技術(shù)及降低熱阻 3 個(gè)方面不斷改進(jìn)。

另外，無(wú)綁定線鍵合、集成電流/溫度傳感器、集成控制/驅(qū)動(dòng)電路及雙面冷卻都有助于提高 IGBT 的功率循環(huán)次數(shù)、抗振動(dòng)等級(jí)和功率密度，同時(shí)降低引線電感及芯片到散熱器熱阻。

3.4 智能化和功能安全設(shè)計(jì)

功率電子傳統(tǒng)意義上是一個(gè)被動(dòng)的執(zhí)行器件，接收指令后動(dòng)作。未來(lái)的趨勢(shì)是不僅簡(jiǎn)單地接收指令，還有部分判斷和保護(hù)功能。例如在 IGBT 模塊內(nèi)集成控制和驅(qū)動(dòng)電路、增加電流和溫度傳感器。

當(dāng) KL15 信號(hào)處于 OFF 狀態(tài)，DC-link電壓由于電機(jī)反電勢(shì)高而超過(guò)閥值電壓時(shí)，IGBT模塊內(nèi)部控制系統(tǒng)可采用相應(yīng)控制策略降低反電勢(shì)電壓。在電池電壓偏高時(shí)，可降低功率器件開(kāi)關(guān)速度；在電池電壓正常時(shí)，切換為最高效開(kāi)關(guān)動(dòng)作。因此，功率器件的智能化可以讓電子控制系統(tǒng)達(dá)到更高安全等級(jí)。

3.5 平臺(tái)化設(shè)計(jì)

典型的汽車電子產(chǎn)品研發(fā)周期需要 2 ~ 3 年，如果開(kāi)發(fā)一個(gè)產(chǎn)品平臺(tái)，可以顯著縮短開(kāi)發(fā)周期和降低成本。以目前市場(chǎng)上應(yīng)用較為廣泛的汽車級(jí) Hybrid PACK 產(chǎn)品為例，其產(chǎn)品家族分為 HP1-DC6 和 HP Drive 兩個(gè)封裝平臺(tái)。其中 HP1-DC6 產(chǎn)品平臺(tái)適用于 50 ~ 100 kW 的應(yīng)用，HPDrive 則覆蓋了 80 ~ 180 kW 的應(yīng)用（見(jiàn)圖 5所示）。

圖 5 Hybrid PACK 產(chǎn)品家族

4. 從 0 汽車級(jí)大功率 IGBT 研究中得到的啟示

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展以及產(chǎn)銷量逐年攀升，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性和質(zhì)量要求也愈來(lái)愈嚴(yán)格。汽車級(jí)產(chǎn)品、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和認(rèn)證體系是高可靠性的保證。

汽車級(jí) IGBT 模塊從設(shè)計(jì)概念到產(chǎn)品上線生產(chǎn)歷時(shí) 3 年時(shí)間， 其中18 個(gè)月用于可靠性實(shí)驗(yàn)?？煽啃詫?shí)驗(yàn)的主要工作是根據(jù)已知加速模型進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，例如功率循環(huán)測(cè)試，需要為 IGBT 注入大電流使其節(jié)溫變化達(dá)到 100 K，歷經(jīng) 7 萬(wàn)次循環(huán)而不出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題；還有機(jī)械振動(dòng)測(cè)試20 g，機(jī)械沖擊測(cè)試 50 g。如 Hybrid PACK HP 1 模塊產(chǎn)品在車輛運(yùn)行 20 萬(wàn) km 后返廠分析，其各項(xiàng)電氣指標(biāo)均符合出廠檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)且壽命消耗不足 50%。

另外，產(chǎn)能和生產(chǎn)保證也得到更多關(guān)注。針對(duì) IGBT 模塊的前道芯片生產(chǎn)到后道封裝生產(chǎn)產(chǎn)能的增長(zhǎng)以及生產(chǎn)工廠的雙備份（不同地區(qū)建設(shè)備份的生產(chǎn)線）都是新能源汽車發(fā)展的基礎(chǔ)保障。

各大新能源企業(yè)需要思考適合自身發(fā)展的戰(zhàn)略布局，如何采用技術(shù)創(chuàng)新從研發(fā)成本、銷售及服務(wù)方面開(kāi)辟屬于自己的市場(chǎng)空間，達(dá)到盈利目標(biāo)。