IGBT技术进展及其新能源汽车应用

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IGBT是在MOS基础上发展出的复合型功率半导体器件,是传统电力电子技术与微电子技术结合的产物。IGBT是电压控制型的功率开关器件,工作频率介于MOS和BJT之间,功率容量较大。它最大的技术挑战是要以微电子的精细结构,耐受传统电力电子的功率开关与开关过程中的各种电磁热机械应力等非常严酷的应用考验。

 IGBT是上世纪80年代初发明,30年来,其功率密度提高了3倍,损耗只有原来的1/3,可靠性越来越高,芯片越来越小的,但控制的功率则越来越大。

 

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1、 IGBT发展的技术挑战

当前IGBT的发展存在三个技术瓶颈:一是降低导通损耗;二是降低开通损耗、开通损耗;三是鲁棒性,要让各项参数都运行在安全工作区(SOA)之内,包括正偏安全工作区(FBSOA)、反偏安全工作区(RBSOA)、开关安全工作区(SSOA)和短路安全工作区(SCSOA)。平衡和优化好这三者关系,能够让IGBT向更大功率、更高密度、更高可靠性发展。

 

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2、封装形式

目前IGBT主要有以下几种封装形式:

一是TO标准塑封模块结构,此结构较简单,成本也较低,主要是单芯片或一个IGBT和一个二级管等两种形式,但是这种封装形式的热循环寿命有限。

二是工业/汽车级标准功率模块结构,目前来看,只要功率超过几个千瓦以上,都会采用这种模块封装的形式,其特点是散热好,功率循环和热循环寿命相对较好,且工艺相比其他形式更为成熟,成本相对适中。

三是压接式IGBT,这种封装方式没有焊层、引线键合,它最大的特点是功率容量大,拥有更高的安全工作区(SOA),且具有失效短路特性,适用于串联应用、可以承受较高电压,但是工艺较为复杂,成本较高。

3、IGBT的应用

下面以高铁和纯电动汽车的应用来说明IGBT可靠性要求:

高铁常用的IGBT是1500A/3300V焊接型模块,一列长编组由256只模块组成,包括9216片芯片,折算芯片面积约为1.68㎡,拥有接近1.5亿个IGBT元胞,只要其中一个元胞失效,这列高铁就会出现故障,因此对IGBT可靠性要求非常高。

而汽车用IGBT功率小很多,主要用于电机驱动、DC/DC升压变换器、双向DC/AC逆变器,以及充电端的DC/DC降压变换器,电机控制器用一个6单元模块,这种IGBT包括36片芯片,约240万个元胞,任何一个元胞出故障,汽车也会出现故障,对IGBT的可靠性要求也非常高。除此之外,新能源汽车对功率半导体在损耗、功率密度以及成本上也有着更高的技术需求。

 

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目前来看,并不是所有器件都能应用于新能源汽车。新能源汽车中IGBT面临着复杂的使用环境和应用工况:一是车载工况功率循环波动比高铁还要复杂;二是长期处于高震动、高湿度、高温度的工作环境;三是装配体积、重量和制造成本有严格限制;四是汽车模块的长期寿要长于20km或长于15年使用寿命。

4、功率半导体的技术要求

汽车级功率半导体模块标准长期缺失,直到最近几年才有一些标准可以参考。汽车IGBT一是要满足最新汽车级标准LV324/AQG324的要求,二是中国IGBT联盟和中关村宽禁带联盟等团体标准。这些标准主要在温度冲击、功率循环、温度循环、结温等与全生命周期可靠性相关的一些方面提出了更高的标准。

 

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目前,IGBT的技术能够为汽车应用提供完整的解决方案,满足市场多样化的需求,包括更高的功率密度、更高的可靠性、更高的工作结温、更低的成本以及定制化的能力。

中国作为全球新能源汽车最大的应用市场,2018年将近130万辆汽车,到2020年将达到200万辆新能源汽车,为汽车IGBT市场提供了一个非常好的市场空间。

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进入尖端应用的IGBT

IGBT是新型电力电子器件的主流器件之一,国外IGBT已发展到第三代。可以毫不夸张的说,没有IGBT,就没有现今高铁的发展。IGBT在设计上将MOs和双机型晶体管结合起来,在性能上兼有双极型器件压降小、电流密度大和MOS器件开关快、频率特性好的双重优点:在制造业上、在高电压、大电流的晶闸管制造技术基础上采用了集成电路微细加工技术。

电子行业的“CPU”——IGBT

早在1979年,MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间。之后的80年代初期,用于功率MOSFET制造技术的DMOS(双扩散形成的金属-氧化物-半导体)工艺被采用到IGBT中来。紧接着90年代中期,沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT。在这种沟槽结构中,实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。直到现在,大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的IGBT专用驱动电路.其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。

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