為什么新能源汽車上要用到IGBT？

攻城獅華哥

關注新能源車的朋友應該都知“IGBT”這個詞，如果你去4S店買新能源車在談到提車時間時，銷售可能都會說由于芯片產能的不足，缺“芯片”導致整車的交付時間加長。這個“缺芯片”中也包含新能源汽車上必不可少IGBT。

受益于新能源汽車、新能源發電等需求推動，實際上，部分IDM廠在年中即公開表態，訂單一路接滿至2023年，雖難排除有部分客戶可能是超額下單(overbooking)。IGBT是新能源汽車中的核心元器件，目前全球供應主要仍集中在國際整合元件廠(IDM)。機構認為，受益于國內新能源車的高速發展，新能源車IGBT在2020年已成為中國IGBT第一大應用領域，占比約30%。

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今天主要從技術的角度，具體來聊聊IGBT吧。

相比于傳統汽車，新能源汽車的生產需要用到的芯片可達到500-800個，有的甚至超過1000個不同類型的芯片。這遠遠超過了傳統的燃油車。汽車的芯片種類主要包括主控芯MCU、存儲芯片、傳感器類器件、IGBT功率類芯片、其次是信號鏈類的通信芯片。

IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor），可以等效看做是MOS管和三極管的結合體。

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圖片來源：華秋商城

回顧三極管和MOS的工作原理&特點：
01 先來了解下三極管:

三極管屬于電流控制型，通過在基極施加一個很小的電流，可以在集電極和發射極之間獲得更大的電流通過。在電路中應用的最多的放大作用和開關作用。

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如上圖所示，PNP三極管Q1在電路中屬于開關作用，當開關KEY1按下時Q1的基極與電源GND導通，電流此時從Q1的集電極流向發射極，LED1被點亮。圖中Q1是一個普通的三極管，Ice僅僅只有幾百mA。驅動一個發光二極管是綽綽有余的。

在一些需要大電流的驅動場景就需要一個叫GTR（Giant Transistor）的三極管，GTR 是三極管的一種，屬于巨型晶體管，由于可工作在高電壓、高電流下，也稱電力晶體管。GTR也是屬于電流驅動型器件，導通后集電極和發射極之間的導通電阻非常小，載流密度非常大，可以做到很高的通路電流。但是在大功率應用場景下時需要消耗較高的驅動電流，此時就要尋求新的突破點。

02 MOS管如何呢？

MOS管，又稱為絕緣柵場效應管，注意幾個詞“絕緣”、“場效應”。這將是MOS與三極管最大的不同之處。

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圖片來源：華秋商城

MOS管從結構上主要特點是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層，因此具有很高的輸入阻抗。這就是其名稱中“絕緣”一詞的由來。

由于絕緣層的存在，在柵極與源極之間加電壓后，是通過電場的作用下吸引載流子形成導電溝道，所以工作原理可以理解為它是利用VGS來控制“感應電荷”的多少，以改變由這些“感應電荷”形成的導電溝道的狀況，然后達到控制漏極電流的目的。所以這就是其名稱中“場效應”的來源。

在一些高電壓驅動場景中，需要高耐壓的MOS，這樣就要從構造上做調整，內部結構就要做的很厚，同時帶來的新的問題就是導致導通電阻增大。不同耐壓的MOS管，其導通電阻中各部分電阻比例分布也不同。

比如耐壓30V的MOS管，其外延層電阻僅為總導通電阻的29%，耐壓600V的MOS管的外延層電阻則是總導通電阻的96.5%。想要獲得高阻斷電壓，就必須采用高電阻率的外延層，并且厚度增加。這就是高耐壓MOS的導通電阻高的原因。

03 總結三極管和MOS管的優缺點：

三極管（特指GTR巨型晶體管）

• 優點：載流子多，導通電阻��；
• 缺點：電流控制方式，消耗較大的驅動電流；
  

MOS（特指高壓MOS）

• 優點：輸入阻抗大，幾乎不消耗驅動電流。
• 缺點：導通電阻大。
  

那么在一些高壓大電流的驅動場景應該如何選擇呢？對于合格高效的電路來講，以上MOS管和三極管的任何一個的缺點都是不被允許的存在的，會大大影響電路的工作效率，同時會產生比較難克服的熱量，影響整個產品的壽命。

IGBT的誕生

IGBT誕生了，如前面所講，IGBT是由MOS管和三極管結合組成的，既然要結合，那么肯定要繼承兩者的優良基因。所以IGBT相較于三極管和MOS管的特點就是高耐壓、大通路電流、低導通阻抗、不消耗驅動電流，非常適合大功率驅動場景。

如下圖是IGBT構造示意圖，相當于在MOS管的基礎上再疊加一個三極管。通過PNP和NPN的組合構成了PNPN的排列，這樣同時就實現如其名字的特點，“絕緣柵”和“雙極性”。

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如下圖所示，從它的等效電路圖來看，當在柵極加正向電壓后，MOS管導通，這樣PNP三極管的集電極與基極形成低阻狀態，此時三極管也就相繼導通，這樣相當于IGBT的集電極和發射極導通。當柵極電壓取消或負壓時，IGBT的集電極和發射極關斷。這樣IGBT就實現了MOS管的高輸入阻抗和晶體管的低導通電阻特性，可以當做開關應用在大功率的驅動電路中。

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圖片來源：華秋商城

IGBT的應用

IGBT是能源變換與傳輸的核心器件，也被稱為電力電子裝置的“CPU”，主要應用在航空航天、軌道交通、智能電網、、電動汽車與新能源裝備等領域。

如下是仙童半導體的FGH60N60SMD規格參數,主要應用在太陽能逆變器UPS，焊機等領域，可以看到耐壓可以達到600V，Ice在常溫下可以達到120A。

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圖片來源：華秋商城

新能源汽車為什么會用到IGBT呢？
新能源汽車是通過電池驅動電機來給汽車提供動力輸出的，所以存在交流市電給汽車電池充電和電池放電來驅動電機使汽車行駛的場景。這兩個過程都是需要通過使用IGBT設計的電路來實現。

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01 應用在充電樁
220V交流市電給電池充電時，需要通過IGBT設計的電源轉換電路將交流電轉變成直流電給電池充電，同時要把220V電壓轉換成適當的電壓以上才能給電池組充電。

比如特斯拉的快充為高功率直流電充電，充電功率一般可達40kW以上，把電網的交流電轉化成直流電，輸送到汽車的快充口，電能直接進入電池充電。


02 應用在電機驅動
新能源汽車使用的是三相異步交流電機，電池的直流電是不能直接驅動電機轉動的，電池放電驅動電機的時候，通過IGBT組成的電路，把直流電轉變成交流電機使用的交流電，同時起到對交流電機的變頻和變壓的控制。

如下是直流電源利用IGBT的開關作用來驅動電機轉動的簡單示意圖，控制器負責輸出控制IGBT1~6的開啟和關閉的信號，從而將電池的直流電轉換為可驅動三相異步交流電機轉動的交流電。

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03 應用在車載空調

新能源汽車車載空調的工作原理與電動驅動相同，即通過逆變器將電池的直流電轉換成交流電后，驅動空調壓縮機電機進行工作。

04 逆變器

有些新能源車還配備了向外輸出220V/50Hz交流的接口，這個過程是將電池的直流電通過逆變電路轉換為交流電，這個過程中IGBT同樣是不可或缺的器件。

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結語

IGBT是功率半導體器件，可以說是電動車的的核心技術之一，IGBT的好壞直接影響電動車功率的釋放速度。特斯拉Model X使用132個IGBT管，其中后電機為96個，前電機為36個IGBT約占電機驅動系統成本的一半，IGBT是除電池之外成本第二高的元件，也決定了整車的能源效率。