功率元件出現於20世紀中期，經過近30年的發展，MOS技術與BJT技術的結合，誕生了IGBT技術。 IGBT經過不斷更新，已廣泛應用於汽車、焊接、航太等領域。 本文介紹了IGBT的結構和工作原理，並闡述了其在電動車領域的應用，有助於從業人員全面了解IGBT的原理及其在電動車領域的技術發展。隨著全球暖化和環境惡化的加劇，為了緩解節能減排的壓力，中國提出了很高的目標。 為實現節能減排的目標，我國大力支持新能源車的發展。 電動車動力總成的核心能量轉換單元牽引逆變器可將電池輸出的直流電轉換為三相交流電。 車輛的頻繁啟動停止使逆變器中的功率半導體裝置承受各種衝擊力。 逆變器的功率密度與電動車的功率輸出密切相關。 汽車功率模組的功率半導體裝置主要包括碳化矽基功率金屬氧化物半導體場效電晶體和絕緣柵雙極電晶體（IGBT）。

IGBT屬於複合全控電壓驅動型功率半導體元件，由雙極型電晶體及絕緣柵場效電晶體組成，具有輸入阻抗高、導通壓降小的優點。 巨型電晶體的飽和電壓低，電流密度高，但工作電流大。 金屬半效電晶體工作功率低，開關速度快，但開關壓降大，載流密度低。 IGBT導通後功耗較小，可視為導體，關斷時電阻較大，可視為開路，具有高電壓、大電流、高速度三大特點，工作功率小，飽和壓降低，適用於直流電壓600V以上的換流系統。 由於電動車對功率元件的耐壓、耐高溫、散熱、穩定性等要求較高，而IGBT的綜合性能比MOSFET電晶體更優，因此IGBT目前已成為電動車逆變器中的主流功率元件，具有很大的發展潛力。 IGBT具有閘極G、集電極C和發射極E，是一種三端元件。 IGBT有兩層P+注入區，形成較大的PN結J1。 當IGBT接取電路時，有部分載子從注入區P+發射到基區N，可以調整漂移區的導電性，因此IGBT具有很強的電流容量。 緩衝區是P+注入區和N-漂移區之間的N+層。 緩衝器中是否有IGBT表現出不同的特性。 帶有N+緩衝器的IGBT稱為非對稱IGBT（也稱為穿通IGBT），它具有正向壓降小、狗關斷時間短、關斷時拖尾電流小的優點，但其反向阻斷能力相對較弱。 不帶N-緩衝器的IGBT稱為對稱型IGBT（也稱為非穿通型IGBT），這種IGBT正向和反向阻斷能力都較強，其他特性比穿通型IGBT差。

  IGBT驅動電路   IGBT驅動電路是由GTR和MOSFET組成的達林頓結構，透過控制閘極的正負電壓來實現其導通和關閉。當閘極電壓為正時，GTR和MOSFET組成的達林頓電晶體處於導通狀態；當閘極電壓為負時，GTR和MOSFET組成的達林頓電晶體處於截止狀態，即不工作。 IGBT驅動電路等效電路圖如圖2所示。此電路將單晶片的脈衝輸出功率進行放大，間接驅動IGBT功率元件工作。其伏安特性曲線與IGBT雙極巨化電晶體相似，當控制電壓UGE增大時，特性曲線上移，改變UGE的高低可控制IGBT的狀態（截止態、飽和態），因此常用於電源的開關控制。  

IGBT的工作原理   IGBT可以看作是一個PNP電晶體（由MOSFET驅動），與普通PNP電晶體相比，它的基極區更厚。其等效電路如圖1(b)所示。圖中，RN為PNP電晶體基極區的調變電阻，MOSFET為N通道場效電晶體。這種結構的IGBT稱為N通道IGBT，符號為N-IGBT。類似地，也有P通道IGBT，即P-IGBT。 IGBT的電氣圖形符號如圖1(c)所示。 IGBT是一種場控元件，其導通和關斷由閘極-射極間電壓UCE決定。如果導通電壓UCE(th)小於閘極-射極間電壓UCE，且閘極電壓為正，則PNP電晶體在MOSFET的內部通道中接收電流，IGBT導通。此時從P+區進入N-區的載子調變了N-區的電導率，N-區的電阻RN會逐漸減小，IGBT會得到較小的通態壓降。若閘射極電壓UCE等於零或等於反向電壓，MOSFET中不會形成通道，也不會有載子從P+區進入N-區調變N-區的電導率，電晶體中也不會有基極電流，IGBT不工作時就會關閉。 IGBT的驅動原理如下：當UCE為負值時：J3結處於反向偏壓狀態，裝置處於反向阻斷狀態。當UCE為正值時：UC<UTH，無法形成通道，元件處於正向阻斷狀態；UG>UTH，在絕緣柵下形成N通道，由於載流子的相互作用，在N-區產生電導調製，使元件正向導通。   1. 突破  
矽片結構與功率MOSFET的差別在於：IGBT比功率MOSFET多了一個P+基板和一個N+緩衝區（IGBT沒有NPT-非穿通結構），利用基板在管體的P_區和N+區之間建立一個J1接面。 如果正的閘極偏壓使閘極下方的P基區反轉，則IGBT內部會形成N通道，此時通道中會有電子流動，形成電流。 當形成電子流的電壓在0.7 V範圍內時，在P_區和N+區建立的J1處於正向偏置，部分電洞進入N-區，將改變N-區和N+區之間的電阻率。這種調節方式降低了IGBT導通的能量消耗，並驅動了第二次電荷流動。 半導體中暫時出現兩種不同的電流拓撲，一個是 MOSFET 電子電流，一個是電洞電流（雙極型）。  
2. 導通電壓降  
電導調變效應可以降低電阻RN的值和導通電壓。 所謂通態壓降是指IGBT進入導通狀態時的管壓降UDS，此電壓隨UCS的上升而下降。  
3. 關閉  
當閘極施加負偏壓或閘極電壓低於閾值時，不會形成通道，電洞也不會進入N-區。 在所有情況下，如果在開關階段MOSFET電流下降太快，集電極電流就會減小，此時換流開始後，N區中仍殘留有少量載子。 關斷時的電荷密度會直接影響剩餘電流值的降低。 電荷密度與雜質的數量和拓撲、層的厚度和溫度等有關。 集電極電流受到N區部分殘餘載子衰減的影響，出現特徵尾流波形。 特徵收集器喚醒會導致功耗高、導通紊亂等問題。 這種問題在有續流二極體的設備中會更加突出。 由於殘餘電流與少數載子的複合密切相關，因此殘餘電流的電流值應該與晶片的Tc、IC、UCE和電洞遷移率有重要關係。
4. 反向阻斷 
如果集電極受到反向電壓，P_區和N+區的J接面將受到反向偏壓的影響。同時，由於層厚減少太多，會喪失阻擋能力，耗盡層會向N-區延伸。此外，如果區域尺寸增加超過一定值，電壓降將持續增加。 
5. 前向阻塞  
如果集極端子得到正電壓且閘極和射極短路，則P_區和N+區之間的J接面受到反向電壓控制。  
6. 閂  
PNPN晶閘管寄生在ICBT的集電極和發射極之間。 晶閘管的導通現象稱為IGBT閂鎖。 在一定條件下，PNPN晶閘管會導通，集極與射極之間的電流增大，對等效MOSFET的控制能力下降，往往導致元件擊穿。   以及IGBT晶片在電動車上的發展歷史。   回顧過去幾十年功率元件的發展，1960世紀XNUMX年代，雙極型元件通態電阻小，電流控制控制電路複雜，耗電量較高。 隨著工業的發展，向學術界提出了簡化驅動電路、降低製造成本、開關功耗和通態壓降的要求。 1990年代，在MOS與BJT整合技術研究的背景下，IGBT誕生。 IGBT的出現並非為了服務電動車，但隨著全球環境的惡化，電動車發展起來，IGBT逐漸開始在汽車、交通等領域應用。隨著電動車與IGBT的共同發展，IGBT晶片已成為電動車不可或缺的一部分。 電動汽車用IGBT晶片發展歷程如圖3所示。 第一代：IGBT的原型，需要增加N-drift來提高耐壓，關斷功耗和導通電阻較大。由於以上因素，第一代IGBT止步於實驗室，並未廣泛應用。 第二代：PT-IGBT。耗盡層未能穿透N+緩衝區，基區電場呈梯形分佈加強。透過降低晶片厚度來降低功耗。 西門子是當時生產IGBT元件的代表公司。 20世紀末，西門子生產的BSM150GB120DN1（DN1代表第一代產品）在600V電壓下有良好的性能，但當電壓升至1200V時，外延厚度變大，成本相對較高，可靠性下降（摻雜濃度和厚度均勻性差）。 第三代：NPT-IGBT。採用離子注入技術取代外延技術，產生P+集電極（透明集電極技術），可以很好地控制結深，並確保盡可能最低的發射效率。 關斷損耗是透過加速載子提取來實現的。 基區原有的載子壽命基本上不受影響，對穩態功耗的影響幾乎可以忽略不計，此時IGBT具有正溫度係數的特性，在穩態損耗與關斷損耗之間表現良好。 此時IGBT的代表公司仍為西門子，其採用區熔法取代延伸批量產品。 第四代：Trench-IGBT。第四代相比過去有很大的改進，採用了溝槽結構，溝道由以前的表面移至垂直表面，增強了基區PIN效應，提高了柵極附近載流子濃度，一定程度上改善了電導調製效應，降低了導通電阻，消除了JFET效應。柵極密度可根據需要提高。 另外，第四代繼續繼承第三代的集電極P+隱式技術，並引入PT技術作為場截止層，提高了耐壓。 英飛凌取代西門子成為龍頭企業，其薄型化技術在當時是全球首創。在1200V時，其厚度可在120至140um之間，在600V時，其厚度可在70um以下。 第五代、第六代：第五代FS-IGBT、第六代FS-Trench是在前四代技術基礎上，重新組合各種技術措施。 第五代IGBT是第四代產品「透明集電極技術」與「電場截止技術」的結合。 第六代產品與第五代產品的差異在於溝槽閘極結構進行了改良。 在電動車領域，IGBT作為新型功率半導體元件的主流裝置，廣泛應用於軌道運輸、新能源車等領域。 目前，隨著生活節奏的加快，市場對新能源汽車的功率、安全性、價格等提出了更高的要求，而IGBT的電流密度、功率損耗、穩定性等性能起著重要作用。

電動車的發展與IGBT模組的發展息息相關，電動車、充電樁以及相關設備都離不開IGBT技術的支援。 在電動車的生產成本中，IGBT模組佔比超過10%，佔充電樁生產成本的近1/5。 在電動車領域，IGBT主要應用在以下幾個方面：1、電動車控制系統採用IGBT技術控制高功率DC/AC逆變器，進而控制馬達的運行，變流器是交流傳動系統中牽引的核心部件，而IGBT是牽引變流器的關鍵部件。 2.車輛空調控制系統採用小電流的IGBT和FRD來控制小功率的DC/AC逆變器。 3.充電樁IGBT模組在智慧充電樁中作為開關元件。
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IGBT在高電流密度、低損耗最佳化技術、高溫高壓技術、智慧整合技術等方面具有良好的性能，在新能源汽車功率模組中廣泛應用，前景看好。 但要實現電動車IGBT晶片優化技術的規模化應用，還需進一步優化溝槽柵的精細化、耐高溫高壓以及多功能整合技術。

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