關(guān)注新能源車的朋友應(yīng)該都知“IGBT”這個(gè)詞，如果你去4S店買新能源車在談到提車時(shí)間時(shí)，銷售可能都會(huì)說(shuō)由于芯片產(chǎn)能的不足，缺“芯片”導(dǎo)致整車的交付時(shí)間加長(zhǎng)。這個(gè)“缺芯片”中也包含新能源汽車上必不可少IGBT。

相比于傳統(tǒng)汽車，新能源汽車的生產(chǎn)需要用到的芯片可達(dá)到500-800個(gè)，有的甚至超過(guò)1000個(gè)不同類型的芯片。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)的燃油車。汽車的芯片種類主要包括主控芯MCU、存儲(chǔ)芯片、傳感器類器件、IGBT功率類芯片、其次是信號(hào)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(jié)合體。

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回顧三極管和MOS的工作原理&特點(diǎn)：

01 先來(lái)了解下三極管:

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

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如上圖所示，PNP三極管Q1在電路中屬于開關(guān)作用，當(dāng)開關(guān)KEY1按下時(shí)Q1的基極與電源GND導(dǎo)通，電流此時(shí)從Q1的集電極流向發(fā)射極，LED1被點(diǎn)亮。圖中Q1是一個(gè)普通的三極管，Ice僅僅只有幾百mA。驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)光二極管是綽綽有余的。

在一些需要大電流的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景就需要一個(gè)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(qū)動(dòng)型器件，導(dǎo)通后集電極和發(fā)射極之間的導(dǎo)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(yīng)用場(chǎng)景下時(shí)需要消耗較高的驅(qū)動(dòng)電流，此時(shí)就要尋求新的突破點(diǎn)。

02 MOS管如何呢？

MOS管，又稱為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，注意幾個(gè)詞“絕緣”、“場(chǎng)效應(yīng)”。這將是MOS與三極管最大的不同之處。

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MOS管從結(jié)構(gòu)上主要特點(diǎn)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(lái)。

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

在一些高電壓驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景中，需要高耐壓的MOS，這樣就要從構(gòu)造上做調(diào)整，內(nèi)部結(jié)構(gòu)就要做的很厚，同時(shí)帶來(lái)的新的問(wèn)題就是導(dǎo)致導(dǎo)通電阻增大。不同耐壓的MOS管，其導(dǎo)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(dǎo)通電阻的29%，耐壓600V的MOS管的外延層電阻則是總導(dǎo)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(dǎo)通電阻高的原因。

03 總結(jié)三極管和MOS管的優(yōu)缺點(diǎn)：

三極管（特指GTR巨型晶體管）

1. 優(yōu)點(diǎn)：載流子多，導(dǎo)通電阻小；

2. 缺點(diǎn)：電流控制方式，消耗較大的驅(qū)動(dòng)電流；

MOS(特指高壓MOS)

1. 優(yōu)點(diǎn)：輸入阻抗大，幾乎不消耗驅(qū)動(dòng)電流。

2. 缺點(diǎn)：導(dǎo)通電阻大。

那么在一些高壓大電流的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景應(yīng)該如何選擇呢？對(duì)于合格高效的電路來(lái)講，以上MOS管和三極管的任何一個(gè)的缺點(diǎn)都是不被允許的存在的，會(huì)大大影響電路的工作效率，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較難克服的熱量，影響整個(gè)產(chǎn)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(jié)合組成的，既然要結(jié)合，那么肯定要繼承兩者的優(yōu)良基因。所以IGBT相較于三極管和MOS管的特點(diǎn)就是高耐壓、大通路電流、低導(dǎo)通阻抗、不消耗驅(qū)動(dòng)電流，非常適合大功率驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景。

如下圖是IGBT構(gòu)造示意圖，相當(dāng)于在MOS管的基礎(chǔ)上再疊加一個(gè)三極管。通過(guò)PNP和NPN的組合構(gòu)成了PNPN的排列，這樣同時(shí)就實(shí)現(xiàn)如其名字的特點(diǎn)，“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(lái)看，當(dāng)在柵極加正向電壓后，MOS管導(dǎo)通，這樣PNP三極管的集電極與基極形成低阻狀態(tài)，此時(shí)三極管也就相繼導(dǎo)通，這樣相當(dāng)于IGBT的集電極和發(fā)射極導(dǎo)通。當(dāng)柵極電壓取消或負(fù)壓時(shí)，IGBT的集電極和發(fā)射極關(guān)斷。這樣IGBT就實(shí)現(xiàn)了MOS管的高輸入阻抗和晶體管的低導(dǎo)通電阻特性，可以當(dāng)做開關(guān)應(yīng)用在大功率的驅(qū)動(dòng)電路中。

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IGBT的應(yīng)用

IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷脖环Q為電力電子裝置的“CPU”，主要應(yīng)用在航空航天、軌道交通、智能電網(wǎng)、、電動(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域。

如下是仙童半導(dǎo)體的FGH60N60SMD規(guī)格參數(shù),主要應(yīng)用在太陽(yáng)能逆變器UPS，焊機(jī)等領(lǐng)域，可以看到耐壓可以達(dá)到600V，Ice在常溫下可以達(dá)到120A。

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新能源汽車為什么會(huì)用到IGBT呢？

新能源汽車是通過(guò)電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)給汽車提供動(dòng)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(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)使汽車行駛的場(chǎng)景。這兩個(gè)過(guò)程都是需要通過(guò)使用IGBT設(shè)計(jì)的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

01 應(yīng)用在充電樁

220V交流市電給電池充電時(shí)，需要通過(guò)IGBT設(shè)計(jì)的電源轉(zhuǎn)換電路將交流電轉(zhuǎn)變成直流電給電池充電，同時(shí)要把220V電壓轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷阂陨喜拍芙o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(dá)40kW以上，把電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)化成直流電，輸送到汽車的快充口，電能直接進(jìn)入電池充電。

02 應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)

新能源汽車使用的是三相異步交流電機(jī)，電池的直流電是不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的，電池放電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的時(shí)候，通過(guò)IGBT組成的電路，把直流電轉(zhuǎn)變成交流電機(jī)使用的交流電，同時(shí)起到對(duì)交流電機(jī)的變頻和變壓的控制。

如下是直流電源利用IGBT的開關(guān)作用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的簡(jiǎn)單示意圖，控制器負(fù)責(zé)輸出控制IGBT1~6的開啟和關(guān)閉的信號(hào)，從而將電池的直流電轉(zhuǎn)換為可驅(qū)動(dòng)三相異步交流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的交流電。

03 應(yīng)用在車載空調(diào)

新能源汽車車載空調(diào)的工作原理與電動(dòng)驅(qū)動(dòng)相同，即通過(guò)逆變器將電池的直流電轉(zhuǎn)換成交流電后，驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)進(jìn)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(gè)過(guò)程是將電池的直流電通過(guò)逆變電路轉(zhuǎn)換為交流電，這個(gè)過(guò)程中IGBT同樣是不可或缺的器件。

結(jié)語(yǔ)

IGBT是功率半導(dǎo)體器件，可以說(shuō)是電動(dòng)車的的核心技術(shù)之一，IGBT的好壞直接影響電動(dòng)車功率的釋放速度。特斯拉Model X使用132個(gè)IGBT管，其中后電機(jī)為96個(gè)，前電機(jī)為36個(gè)IGBT約占電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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。