引言

2016 年我國新能源汽車銷量約 43 萬輛，2017年銷量約 72 萬輛，增幅約為 66%。新能源汽車區別于傳統汽車最核心的技術是三電系統：電池、電機和電控（見圖 1）。

圖 1 新能源汽車三電系統

電機控制系統是新能源汽車產業鏈的重要環節，電控系統的技術水平直接影響整車的性能和成本。其中，電控系統應用的核心部件——IGBT 擁有高輸入阻抗、高速開關和導通損耗低等特點，在高壓系統中擔負著極其重要角色：

在主逆變器（Main Inverter）中，IGBT 將高壓電池的直流電轉換為驅動三相電機的交流電；

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

在 PTC、DC/DC、水泵、油泵、空調壓縮機等應用中都會使用到 IGBT。

因此，加強對汽車級 IGBT 及其封裝技術的研究是推動新能源汽車技術升級的關鍵。

1. 車載功率半導體概述

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

MOSFET 的優點是較高的開關頻率，可以工作在百 kHz 到 MHz 之間；缺點是耐壓低，在高電壓、大電流應用中損耗非常大，因而限制了其應用。IGBT 的優點是導通壓降小、耐壓高，輸出功率可到 100 kW 以上；缺點是開關頻率較低，一般為 20 kHz 以下。目前，專為OBC、DC/DC 應用而開發的高速 IGBT 的開關頻率可達 100 kHz 以上，性能已經達到相同規格 MOSFET 水平，如圖 2 所示。

圖 2 IGBT/MOSFET 耐壓與開關頻率對比

例如，車載充電機是交流電和直流電轉換的設備，充電機的高電壓、高功率、高效率特性是保證充電功能的基礎，提高輸出電壓及電流可有效縮短充電時間。車載充電機選擇高頻特性好、導通壓降小、反向恢復快的功率器件，是提高充電效率的核心。另外，車載充電機需要經常在高溫高濕環境中工作，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高效性和可靠性的關鍵。

1.1 純電動汽車

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

60 V/72 V 低壓系統：用于 A000 平臺，功率等級為 3 ～ 9 kW；

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

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

上述低壓系統中，

由于功率小、電壓低，因此大多選用 MOSFET 單管并聯及其模塊方案；

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

高壓系統中，MOSFET 由于無法滿足高壓及大功率需求，因此可選用 IGBT 單管并聯及其模塊方案。

1.2 混合動力汽車

混合動力汽車廣義上含增程式、混合動力及插電混合動力汽車，動力總成含發動機、發電機、驅動電機、變速器和主逆變器。按機電耦合比例細分為：

弱混：48 V 啟停系統、高壓 BSG 系統；

中混：高壓 TM 系統、高壓 ISG 系統；

強混：高壓 TM/ISG（BSG）系統。

其中 48 V 啟停系統由于電壓較低，因此以MOSFET 并聯方案為主，其它中混、強混高壓系統中主要以大功率 IGBT 模塊方案為主。

2. IGBT 工作原理

IGBT 芯片的內部結構結合了 MOSFET 的驅動優勢及 BJT（雙極性晶體管）的導通優勢（如圖 3 所示）。

圖 3 IGBT 內部結構和等效電路

PNP 和 NPN 型的雙極性晶體管在導通時，少數載流子和多數載流子參與導電。在同等電壓和電流條件下，雙極性晶體管的導通壓降要低于 MOSFET 的導通壓降，后者只有多數載流子參與導電。導通時，MOSFET 需要的柵極驅動能量小，而晶體管需要相對高的基極電流來維持整個導通周期。

在內部，IGBT 更像垂直結構的 MOSFET，不過它在漏極側增加了高摻雜的 P + 層，稱之為集電極。當柵極接負電壓或者零電壓時，IGBT 關斷。這時發射極電壓要遠低于集電極電壓即 IGBT 正向阻斷，PN 結 J2 阻斷。為了獲得足夠的阻斷能力，必須使得 N - 區足夠寬，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 進入導通狀態。首先，在氧化層下面的 P 區建立反型導電溝道，為電子從發射極到 N - 區提供導電通路，從而降低 N - 區的電位，J1 導通。P + 區的少子（空穴）開始進入 N - 區，使得該區的少數載流子濃度超過多數載流子幾個數量級（假設集電極電壓足夠高）。為了保持電荷中性，大量的自由電子從 N + 區吸引到 N - 區。由于載流子的注入，本來相對高阻的 N - 區的導電率迅速上升。這個過程稱之為電導調制效應，它會顯著降低 IGBT 的正向導通壓降。IGBT 的 Vcesat 低于MOSFET 的擴散電壓特別是在高壓大電流的應用場合，所以 IGBT 的損耗要比 MOSFET 低。

圖 4 IGBT 的導通壓降 Vce 與 Vgate 關系

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，輸入漂移區電子數相對較少，導致 IGBT 的壓降增大，直接影響到導通損耗增大甚至因過溫損壞 IGBT。

如果 Gate-Emitter 電壓為零或者負壓，柵極的溝道重組將阻止自由電子繼續注入漂流區。此時，漂流區載流的濃度很高，所以大量的電子向集電極 P + 區移動，而空穴向 P 區移動。由于電子濃度逐漸拉平，載流子的移動逐步停止，剩余的載流子只能依靠復合來移除。因而 IGBT 的關斷電流分為 2 個階段：（1）關斷反型溝道，導致電流迅速下降；（2）持續的時間較長，導致 IGBT 產生拖尾電流。第一個階段被稱為 MOSFET 關斷，第二個階段稱為晶體管關斷。拖尾電流使得 IGBT 的關斷損耗高于 MOSFET 的關斷損耗。

如圖 3 所示的 IGBT 等效電路，其內部存在寄生晶閘管，該晶閘管由 2 個 BJT 組成。為了防止IGBT 意外導通（即閉鎖），可以在設計和制造 IGBT 時采用一些針對性的預防策略防止寄生的晶閘管導通。例如可以通過芯片金屬化的方法把 NPN 晶體管的基極與發射極短路來解決閉鎖問題，這種技術可以保證晶體管的基極和發射極的電壓為 0，確保晶體管不會導通。這種設計可以通過局部提升 P 區的摻雜濃度或者選用更窄的 N + 區來改進，前者可以通過降低歐姆電阻阻值來降低晶體管基極和發射極的電壓。

閉鎖可以發生在靜態開通狀態（IGBT 已導通）和動態開關狀態（IGBT 關斷過程），在這兩種情況下通過 IGBT 電流值的大小是決定發生閉鎖的關鍵參數。電流越大，越易發生閉鎖。但是根據前面提到的設計，目前大多數 IGBT 在一定的電流范圍內不會發生閉鎖。值得注意的是，這個電流范圍一般指 2 倍的標稱電流之內。

自從 20 世紀 80 年代中期研發出第一只 IGBT 器件以來，IGBT 技術經歷了幾個不同發展階段，這些技術都是試圖平衡 IGBT 的各種特性，其中有些參數是互相矛盾的。例如：降低導通損耗、降低開通和關斷損耗、優化器件開關的特性、提高電流密度、提升耐壓等級、減少半導體材料（同等電壓和電流能力下，減少芯片厚度和面積）、提升最高工作節溫、擴展 SOA（安全工作區）特別是 RBSOA（反偏安全工作區）和 SCSOA（短路安全工作區）。

IGBT 制造商利用不同的技術都是為了達到相同的目標，即不斷提高 IGBT 的性價比，實現理想的開關特性。

3. 汽車級大功率 IGBT 發展趨勢

IGBT 在新能源汽車中的應用目前分為單管并聯和模塊 2 種。單管方案隨并聯數量增加，其技術難度及成本呈非線性上升關系；IGBT 模塊采用框架式結構，產品開發周期短、可靠性高，極大地降低了系統設計的復雜性。

因此，IGBT 模塊已在全球新能源汽車中得到了非常廣泛的應用。隨著市場對于整車性能要求的迅速提高，汽車級大功率 IGBT 呈現出高電壓、高效率、高功率密度和高可靠性的發展趨勢。

3.1 專用的汽車級 IGBT 芯片

無論是芯片技術、生產工藝、測試流程都是為汽車級應用量身定制的。芯片最高工作節溫由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%，門級電荷量降低至之前的 70%。同時將電流傳感器和溫度傳感器集成在 IGBT 芯片上，實現更加及時和準確的采樣。

3.2 先進制造工藝

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

3.3 優化的封裝技術

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

另外，無綁定線鍵合、集成電流/溫度傳感器、集成控制/驅動電路及雙面冷卻都有助于提高 IGBT 的功率循環次數、抗振動等級和功率密度，同時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計

功率電子傳統意義上是一個被動的執行器件，接收指令后動作。未來的趨勢是不僅簡單地接收指令，還有部分判斷和保護功能。例如在 IGBT 模塊內集成控制和驅動電路、增加電流和溫度傳感器。

當 KL15 信號處于 OFF 狀態，DC-link電壓由于電機反電勢高而超過閥值電壓時，IGBT模塊內部控制系統可采用相應控制策略降低反電勢電壓。在電池電壓偏高時，可降低功率器件開關速度；在電池電壓正常時，切換為最高效開關動作。因此，功率器件的智能化可以讓電子控制系統達到更高安全等級。

3.5 平臺化設計

典型的汽車電子產品研發周期需要 2 ~ 3 年，如果開發一個產品平臺，可以顯著縮短開發周期和降低成本。以目前市場上應用較為廣泛的汽車級 Hybrid PACK 產品為例，其產品家族分為 HP1-DC6 和 HP Drive 兩個封裝平臺。其中 HP1-DC6 產品平臺適用于 50 ~ 100 kW 的應用，HPDrive 則覆蓋了 80 ~ 180 kW 的應用（見圖 5所示）。

圖 5 Hybrid PACK 產品家族

4. 從 0 汽車級大功率 IGBT 研究中得到的啟示

隨著新能源汽車產業的迅速發展以及產銷量逐年攀升，產品設計的可靠性和質量要求也愈來愈嚴格。汽車級產品、系統設計和認證體系是高可靠性的保證。

汽車級 IGBT 模塊從設計概念到產品上線生產歷時 3 年時間， 其中18 個月用于可靠性實驗?？煽啃詫嶒灥闹饕ぷ魇歉鶕阎铀倌Ｐ瓦M行加速老化試驗，例如功率循環測試，需要為 IGBT 注入大電流使其節溫變化達到 100 K，歷經 7 萬次循環而不出現質量問題；還有機械振動測試20 g，機械沖擊測試 50 g。如 Hybrid PACK HP 1 模塊產品在車輛運行 20 萬 km 后返廠分析，其各項電氣指標均符合出廠檢驗標準且壽命消耗不足 50%。

另外，產能和生產保證也得到更多關注。針對 IGBT 模塊的前道芯片生產到后道封裝生產產能的增長以及生產工廠的雙備份（不同地區建設備份的生產線）都是新能源汽車發展的基礎保障。

各大新能源企業需要思考適合自身發展的戰略布局，如何采用技術創新從研發成本、銷售及服務方面開辟屬于自己的市場空間，達到盈利目標。