为了实现节能减排的目标，电动汽车得到了广泛的关注和发展，而逆变器中的功率半导体器件IGBT，作为电动汽车动力总成的核心能源转换单元，也得到了越来越多的应用。本文将介绍IGBT的结构和工作原理，以及其在电动汽车领域的应用和发展历程，以期能够帮助读者全面深入地了解IGBT原理及其在电动汽车领域的技术发展。
一、IGBT的结构和工作原理
IGBT，全称为绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor），是一种功率半导体器件。IGBT是MOS和BJT技术的结合。
IGBT可以看作是PNP型晶体管和N沟道MOSFET的结合。与普通PNP型晶体管相比，IGBT的基区更厚，其等效电路如图1(b)所示。IGBT结构中的MOSFET是用来控制PNP型晶体管的基极区域，从而控制IGBT的导通和关断。
IGBT的工作原理如下：
IGBT导通
当IGBT的栅极施加正向电压时，会在N沟道MOSFET的P型基区中形成电子-空穴对。电子在N沟道MOSFET的导电层中运动，空穴则在PNP型晶体管的基区中运动，同时，在P型基区中形成了一定的电压。由于基区的电阻很小，电子和空穴可以很容易地通过基区流动，从而使IGBT进入导通状态。
导通压降
应用电导调制效应可以降低电阻RN的值，减少通态压。所谓通态压降，是指IGBT进入导通状态的管压降UDS，这个电压随UCS上升而下降。
IGBT关断
当IGBT的栅极施加负向电压时，会在N沟道MOSFET的P型基区中形成空穴-电子对。空穴在N沟道MOSFET的导电层中流动，电子则在PNP型晶体管的基区中流动，同时，P型基区中的电场将电子和空穴分开。由于基区的宽度很大，空穴无法穿透基区，从而使IGBT进入关断状态。
反向阻断
当IGBT的集电极端子得到反向电压时，P区和N+区的J结受到反向偏压的影响，同时，由于层面厚度的降低过大，IGBT的阻断能力将会丧失，耗尽层则会向N-区扩展。此外，如果区域尺寸增加超过一定的值，压降也会连续地变大。
正向阻断
当IGBT的集电极端子得到正向电压时，并将栅极和发射极短接，P区和N+区之间的J结会受到反向电压的控制。
闩锁
IGBT的结构中，PNPN晶闸管寄生在ICBT的集电极与发射极之间。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁。在一定条件下，PNPN晶闸管会导通，集电极与发射极之间的电流将会变大，从而使器件的击穿问题更加明显。
二、IGBT芯片发展历程
随着电动汽车的发展，IGBT技术也得到了越来越多的应用。IGBT芯片的发展历程如下：
第一代IGBT
第一代IGBT是IGBT的雏形，需要依靠提高N-drift来提高耐压。不过，第一代IGBT的关断功耗和导通电阻都比较高，因此无法得到普及使用，只存在于实验室中。
第二代IGBT
第二代IGBT采用了PT结构，耗尽层未能穿透N+缓冲层，基区电场加强呈梯形分布。通过降低芯片厚度来降低功耗。西门子公司是当时生产IGBT器件的代表性公司。西门子公司生产的BSM150GB120DN1（DN1表示第一代产品）在600V电压下具有良好的表现，但当电压升至1200V时，外延厚度变大，成本相对较高，同时可靠性降低（掺杂浓度及厚度的均匀性差）。
第三代IGBT
第三代IGBT采用了NPT结构，通过离子注入技术生成P+集电极（透明集电极技术），可以很好地控制结深同时保证尽可能低的发射效率。关断损耗是通过加快载流子抽取速度来实现的。基本不影响基区原有的载流子寿命，同时对稳态功耗的影响几乎可以忽略不计。此时的IGBT已经具备正温度系数的特点，在稳态损耗和关断损耗间表现不俗。此时，西门子公司仍然是IGBT代表性公司，其突破性地采用区熔法代替外延的批量产品。
第四代IGBT
第四代IGBT采用了Trench结构，沟道从以前的表面移动到了垂直面上，增强了基区的PIN效应，增大了栅极附近载流子的浓度，电导调制效应有了一定的提升，导通电阻得到了降低，消除了JFET效应，栅极密度可以按需求增加。并且，第四代继续继承了第三代的集电极P+implant技术，引入了PT技术作为场终止层，提高了耐压能力。此时，英飞凌公司代替西门子成为引领企业，其减薄技术当时世界第一，1200V时，它的厚度可以做到120~140μm之间，600V时可以做到70μm以下。
第五代和第六代IGBT
第五代FS-IGBT和第六代的FS-Trench是在以前四次技术的基础上对各种技术措施的重新组合。第五代IGBT是第四代产品“透明集电区技术”与“电场中止技术”的结合。第六代产品与第五代产品的区别是改进了沟槽栅结构。
三、IGBT在电动汽车领域的应用
电动汽车的发展与IGBT模块的发展密不可分，电动汽车、充电桩及其相关设备都离不开IGBT技术的支持。在电动汽车生产成本中，IGBT模块占比超过了10%，在充电桩生产成本中占比接近1/5。
为了实现节能减排的目标，中国政府大力扶持发展新能源汽车。电动汽车动力总成的核心能源转换单元是逆变器，它可以将电池输出的直流电逆变为三相交流电。由于车辆在工作时频繁起停，逆变器中的功率半导体器件需要承受各种冲击力。因此，逆变器的功率密度和电动汽车的动力输出密切相关。车规级功率模块的功率半导体器件主要包括碳化硅基功率金属氧化物半导体场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。在这两种器件中，IGBT在功率密度、低损耗优化技术、高温高压技术和智能集成技术方面均具有较好的性能，在新能源汽车的功率模块上得到了广泛应用，并具有较好的前景。
IGBT在电动汽车的动力总成中的应用
逆变器是电动汽车的核心设备，包含IGBT芯片的电力模块被应用于逆变器中。它可以将直流电转换成交流电，提供给电动机驱动汽车运动。IGBT的高开关频率、低通态电阻和低开关损耗特性在电动汽车领域的应用，使得汽车更加节能、经济，大大降低了能源消耗和车辆运行成本。
IGBT在电动汽车的电池管理系统中的应用
电池管理系统（BMS）在电动汽车的性能和可靠性方面起着至关重要的作用。BMS对电池单体的状态进行监测和管理，确保电池单体的平衡和安全性。IGBT芯片被广泛应用于BMS中的DC/DC转换器和充电桩中的AC/DC转换器。在电池管理系统中，IGBT的高可靠性、高耐压性和高开关速度，使得系统更加安全、稳定和高效。
IGBT在电动汽车的充电桩中的应用
电动汽车充电桩是新能源汽车的基础设施之一，IGBT芯片的高功率、高压、高速和高温的特性使得它在充电桩中发挥着重要作用。充电桩的转换器中需要使用IGBT芯片，用于将交流电转换成直流电，以供电池充电。IGBT的高开关速度和高可靠性，使得充电桩更加安全、稳定和高效。
四、结语
IGBT器件在大电流密度、低损耗优化技术、高温高压技术和智能集成技术方面均有较好的性能，在新能源汽车的功率模块上得到了广泛应用，具有较好的前景。但是，实现电动汽车IGBT芯片优化技术大规模应用还需要进一步优化沟槽栅精细程度、耐高温高压性、多功能集成技术等方面。同时，在IGBT的应用过程中，需要进一步加强对其可靠性和稳定性的研究，以保证电动汽车的安全和性能。
总之，IGBT技术的发展是新能源汽车技术发展的重要组成部分，其在动力总成、电池管理系统和充电桩等方面的应用，对电动汽车的性能、可靠性和经济性起到了至关重要的作用。随着技术的不断进步和完善，相信IGBT技术在新能源汽车领域中的应用会越来越广泛，为新能源汽车的发展提供更强大的支持和保障。
