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[提问] 为什么新能源汽车上要用到IGBT?

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发表于 2022-12-15 17:29:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
关键词: 新能源 , 功率半导体 , 汽车芯片 , 充电桩 , 电机驱动
关注新能源车的朋友应该都知“IGBT”这个词,如果你去4S店买新能源车在谈到提车时间时,销售可能都会说由于芯片产能的不足,缺“芯片”导致整车的交付时间加长。这个“缺芯片”中也包含新能源汽车上必不可少IGBT。

受益于新能源汽车、新能源发电等需求推动,实际上,部分IDM厂在年中即公开表态,订单一路接满至2023年,虽难排除有部分客户可能是超额下单(overbooking)。IGBT是新能源汽车中的核心元器件,目前全球供应主要仍集中在国际整合元件厂(IDM)。机构认为,受益于国内新能源车的高速发展,新能源车IGBT在2020年已成为中国IGBT第一大应用领域,占比约30%。

今天主要从技术的角度,具体来聊聊IGBT吧。

相比于传统汽车,新能源汽车的生产需要用到的芯片可达到500-800个,有的甚至超过1000个不同类型的芯片。这远远超过了传统的燃油车。汽车的芯片种类主要包括主控芯MCU、存储芯片、传感器类器件、IGBT功率类芯片、其次是信号链类的通信芯片。

IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor),可以等效看做是MOS管和三极管的结合体。
图片来源:华秋商城


回顾三极管和MOS的工作原理&特点:
01 先来了解下三极管:
三极管属于电流控制型,通过在基极施加一个很小的电流,可以在集电极和发射极之间获得更大的电流通过。在电路中应用的最多的放大作用和开关作用。

图片来源:华秋商城

如上图所示,PNP三极管Q1在电路中属于开关作用,当开关KEY1按下时Q1的基极与电源GND导通,电流此时从Q1的集电极流向发射极,LED1被点亮。图中Q1是一个普通的三极管,Ice仅仅只有几百mA。驱动一个发光二极管是绰绰有余的。

在一些需要大电流的驱动场景就需要一个叫GTR(Giant Transistor)的三极管,GTR 是三极管的一种,属于巨型晶体管,由于可工作在高电压、高电流下,也称电力晶体管。GTR也是属于电流驱动型器件,导通后集电极和发射极之间的导通电阻非常小,载流密度非常大,可以做到很高的通路电流。但是在大功率应用场景下时需要消耗较高的驱动电流,此时就要寻求新的突破点。


02 MOS管如何呢?
MOS管,又称为绝缘栅场效应管,注意几个词“绝缘”、“场效应”。这将是MOS与三极管最大的不同之处。

图片来源:华秋商城

MOS管从结构上主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层,因此具有很高的输入阻抗。这就是其名称中“绝缘”一词的由来。

由于绝缘层的存在,在栅极与源极之间加电压后,是通过电场的作用下吸引载流子形成导电沟道,所以工作原理可以理解为它是利用VGS来控制“感应电荷”的多少,以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况,然后达到控制漏极电流的目的。所以这就是其名称中“场效应”的来源。

在一些高电压驱动场景中,需要高耐压的MOS,这样就要从构造上做调整,内部结构就要做的很厚,同时带来的新的问题就是导致导通电阻增大。不同耐压的MOS管,其导通电阻中各部分电阻比例分布也不同。

比如耐压30V的MOS管,其外延层电阻仅为总导通电阻的29%,耐压600V的MOS管的外延层电阻则是总导通电阻的96.5%。想要获得高阻断电压,就必须采用高电阻率的外延层,并且厚度增加。这就是高耐压MOS的导通电阻高的原因。



03 总结三极管和MOS管的优缺点:
三极管(特指GTR巨型晶体管)
  • 优点:载流子多,导通电阻小;
  • 缺点:电流控制方式,消耗较大的驱动电流;

MOS(特指高压MOS)
  • 优点:输入阻抗大,几乎不消耗驱动电流。
  • 缺点:导通电阻大。

那么在一些高压大电流的驱动场景应该如何选择呢?对于合格高效的电路来讲,以上MOS管和三极管的任何一个的缺点都是不被允许的存在的,会大大影响电路的工作效率,同时会产生比较难克服的热量,影响整个产品的寿命。



IGBT的诞生
IGBT诞生了,如前面所讲,IGBT是由MOS管和三极管结合组成的,既然要结合,那么肯定要继承两者的优良基因。所以IGBT相较于三极管和MOS管的特点就是高耐压、大通路电流、低导通阻抗、不消耗驱动电流,非常适合大功率驱动场景。

如下图是IGBT构造示意图,相当于在MOS管的基础上再叠加一个三极管。通过PNP和NPN的组合构成了PNPN的排列,这样同时就实现如其名字的特点,“绝缘栅”和“双极性”。
图片来源:华秋商城

如下图所示,从它的等效电路图来看,当在栅极加正向电压后,MOS管导通,这样PNP三极管的集电极与基极形成低阻状态,此时三极管也就相继导通,这样相当于IGBT的集电极和发射极导通。当栅极电压取消或负压时,IGBT的集电极和发射极关断。这样IGBT就实现了MOS管的高输入阻抗和晶体管的低导通电阻特性,可以当做开关应用在大功率的驱动电路中。
图片来源:华秋商城


IGBT的应用
IGBT是能源变换与传输的核心器件,也被称为电力电子装置的“CPU”,主要应用在航空航天、轨道交通、智能电网、、电动汽车与新能源装备等领域。

如下是仙童半导体的FGH60N60SMD规格参数,主要应用在太阳能逆变器UPS,焊机等领域,可以看到耐压可以达到600V,Ice在常温下可以达到120A。

图片来源:华秋商城



新能源汽车为什么会用到IGBT呢?
新能源汽车是通过电池驱动电机来给汽车提供动力输出的,所以存在交流市电给汽车电池充电和电池放电来驱动电机使汽车行驶的场景。这两个过程都是需要通过使用IGBT设计的电路来实现。

01 应用在充电桩
220V交流市电给电池充电时,需要通过IGBT设计的电源转换电路将交流电转变成直流电给电池充电,同时要把220V电压转换成适当的电压以上才能给电池组充电。

比如特斯拉的快充为高功率直流电充电,充电功率一般可达40kW以上,把电网的交流电转化成直流电,输送到汽车的快充口,电能直接进入电池充电。


02 应用在电机驱动
新能源汽车使用的是三相异步交流电机,电池的直流电是不能直接驱动电机转动的,电池放电驱动电机的时候,通过IGBT组成的电路,把直流电转变成交流电机使用的交流电,同时起到对交流电机的变频和变压的控制。

如下是直流电源利用IGBT的开关作用来驱动电机转动的简单示意图,控制器负责输出控制IGBT1~6的开启和关闭的信号,从而将电池的直流电转换为可驱动三相异步交流电机转动的交流电。

03 应用在车载空调
新能源汽车车载空调的工作原理与电动驱动相同,即通过逆变器将电池的直流电转换成交流电后,驱动空调压缩机电机进行工作。


04 逆变器
有些新能源车还配备了向外输出220V/50Hz交流的接口,这个过程是将电池的直流电通过逆变电路转换为交流电,这个过程中IGBT同样是不可或缺的器件。

结语
IGBT是功率半导体器件,可以说是电动车的的核心技术之一,IGBT的好坏直接影响电动车功率的释放速度。特斯拉Model X使用132个IGBT管,其中后电机为96个,前电机为36个IGBT约占电机驱动系统成本的一半,IGBT是除电池之外成本第二高的元件,也决定了整车的能源效率。


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