热门新能源汽车的电机电控都是谁供应的？

新能源汽车区别于传统汽车最核心的技术是三电系统：电池、电机和电控（见图 1）。

电机控制系统是新能源汽车产业链的重要环节，电控系统的技术水平直接影响整车的性能和成本。其中， 电控系统应用的核心l V k s X 部件——IGBT拥有高输入阻抗、高速开关和导通损耗低等特点，在高压系统中担负着极其重要角色：

在e L C | H o n j i主逆变器（Mu Z I b r l d Main^ 7 K / T o - t Invertere $ y _ & n）中，IGBT 将高压电池的直流电转换为驱动三相电机的交流电；

在车载充电机（OBC）中，IGe V M ]BT 将 220 V 交流y B ~ k 4 u电转换为直流并为高压电池充电；

在 PTC、DC/DC、水泵、油泵、空调压缩机等应用中都会使用到 IGBT。

因此，加强对汽车级 Io g ~ @ H | eGBT 及其封装技术的研究是推动新能源汽车技术升级的关键。

图 1 新能源汽车三电系统

1. 车载功率半导体概述

纯电动与插电式混合动力汽车的需求日益增长，目前市场上销售的新能源汽车所搭载的功率半导体多数r ! 2 ; K f 为硅基器件，如 IGBT 和 MO( { S # 9SFET（金属氧化物; 3 X 0 半导体场效应管）。

MOSFET 的优点是较高的开关频率，可以工作在百 kHz 到 MHz 之间；缺点是耐c L U = 8 O , # C压低，在高电压、大电流应用中损耗非常大，l h @ X e T d / $因而限制了其应用。IGBT 的优点是导通压降小、耐压高，输出功率可到 100 kW 以上；缺点是开关频率较低，一般为 20 kHz 以下。目K B | n k前，专为 OBC、DE % G uC/DC 应用而开发的高速 IGBT 的开关频率可l 9 2 0 Q e i达 100 kHz 以上，性能已经达到相同规格 MOSFET 水[ v B t 2平，如图j b &JT（双极性晶体管）的导通优势（如图 3 所示）。

图 3 IGv u | G F y bBT 内部结构和等效电路

PNP 和 NPN 型的双极性晶体管在导通时，少数载流子和多数载Z U z / D `流子参与导电。在同等电压和电流条件下，双极性晶体管的导通压降要低于 MOSFET 的导通压降，后者只有多数载流子参9 ~ O , m =与导电。导通时，MOSFET 需要的栅极驱动能量小，而晶体管需要相对高的基极电流来维持整个导通周期。

在内部，IGBT 更像垂直结构的 MOSFET，不过它在漏极侧增加了高掺杂的 P + 层，称之为集电极。当栅极接负电压或者零电压时，Ih 2 4 kGBT 关断。这时发射极电压要远低于集电极电J 6 i压即 IGBT 正向阻断，PN 结 J2 阻断。为了获得足够的阻断能力，必须使得t # 3 N - 区足够宽，且掺杂浓度要足够低。

如果 IGBT 的栅极接到正电压（通常是 +15 V），IGBT 进i 1 N M G 3 Q ) _入导通状态。首先，在氧化层- 3 @下面的 P 区建立反型导电沟道，为电子从发射极到! s . } Q [ M y ; N - 区提供导电通路，从而降低 N - 区的电位，J1 导通。P + 区的少子（空穴）开始进入 N - 区，使得该区的少数载流子浓X . _ $ 5度超过多数载流子几个数量级（假设集电极电压足够高）。为了保持电荷中性，大量的自由电子从 N + 区吸引到 N - 区。由于载流子的注入，本来相对高阻的 N - 区的导电率迅速上升。 这个过程称之为电导调制效应，它会显著降低 IGBT 的正向导通压降。IGBT 的 Vcesat 低于 MOSB ( ~ i : s #FET 的扩散电I e m压特别是在高压大电流的应用场合，所以 IGBT 的损耗要比 MOSFETi Y V 8 低。

图 4 IGBT 的导通压降 Vce 与 Vgate 关系

IGBT 的输出特性如图 4 所示，如果: t J 2 # B J h Gate 电压不够大，那么形成的反型层较弱，输入漂移区电子数相对较少，导致 IGBT 的压降增大，直接影响到导通损耗增大甚至因过温损坏 IGB% ; % f L Q YT。

如果 Gate-EmiH ( )tter 电压为零或者负压，栅极的沟道重组将阻止自由电子继续注入漂流区。此时，漂流区载流的浓度很高，所以大量的电子向集电极 P + 区移动@ c q E S K t u ,，而空穴向 P 区移动。由于电子浓度逐渐拉平，载流子的移动逐步停止，剩余的载流子只能依靠k r . B 9 u V ?复合来移除。因而 IGBT 的关断电流分为 2Y d V _ m l ~ , 个阶段：（1）关断反型沟道，导致电流迅速下降；（2）持续的时间较长，导致 IGBT 产生拖尾电流。第一个阶段被称为 MOSFET 关断- N - + Y，第二个阶段称为晶体管关断。拖尾电流使得 IGBT 的关断损耗高于 MOSFET 的关断损耗。

如图 3 所7 O E L A示的 IGBT 等效电路，其内e ~ t q ^ G部存在寄生 O C晶闸管，该晶闸管由 2 个 B1 m S R sJT 组成。为了防止 IGBT 意外导通（即闭锁），可以w f [ | v F在设计x D ; j 2 Z P , s和制造 IGBT 时采用一些针对性的预防策略防止寄生的晶闸管导通。例如可以通过芯片金属化的方法把 NPN 晶体管的基极与发射极短路L 1 ~ o H x，目前大多数 IGBT 在一定的电流范围内不会发? w ; A t生闭锁。值得注意的是，这个电流范围一般指 2 倍的标称电流之内。

自从 20 世纪 80 年代中期研发出第一只 IGBT 器件以来，IGBT 技术经历了几个不同发展阶段，这些技术都是试图平衡 IGBT 的各种特性，其中有些参数是互相矛盾的。例如：降低导通损耗、; h G降低开通和关断损J q y Y w耗、优化器件开关的K / f ]特性、提高电流密度、提升耐压等级、减少半导体材料（同等电压和电流能力下，减少芯片厚度和面积）、提升最高r b +工作节温、扩展 SOA（e s g X $ ) Q安全工作区）特别是 RBSOA（反偏安全工作区）和 SCSOA（{ B ) g短路安全工作区）。

IGBT 制造商利用不同的技术都是为了达到相同的目标，即不断提高 IGBT 的性& * f g价比，实现理想的开关特性。

3. 汽车级大功率 IGBT 发展趋势

IGBT 在新能源汽车中的应用目前分为单管并联和模块 2 种。 单管方案随并联数量t i ^增加，其技术难度及{ o { b B R % t成本呈非线性上升关系；IGBT 模块采用框架式结构，产品开# } u Q发周期短、可靠性高，极大地降低了系统设计的复杂性。

因此，IGBT 模块已在全球新能源汽车中得到了非常广泛的应用。随着市场对于整车性能要求的迅速提高， 汽车级大功率 IGBT 呈现* 7 0 ? X ^ Z B K出高电压、高效率、高功率密度和高可靠性的| I * T E发展趋势。

3.1 专用的汽车级 IC Y f b _ D ` WGBT 芯片

无论是芯片技术、生产工艺、测试流程都是为汽车级应{ ) o ) G d x 4 T用量身定制的。 芯片最高工作节温由 150 ℃ 提升至 175 ℃，相同厚度) O + - I i w 2的芯片耐压由 650 V 提升至 7a + E z W ( {50 V，相同芯片面积下电流能力提升 20%，门级电荷量降低至之前的 70%。同时将电流传感器和温度传感器集成在 IGBT 芯片上，实现更加及时和准确的采样。

3.2 先进制造工艺

IGBT 的制造工艺水平也在不断提升，诸多先进制造工艺如离子注入、精细光 = 6 6 v F w r m刻等被应用到 IGBT 制造上。芯片制造过程中的最小特征尺寸已由 5 m 降至 1 m。硅片尺寸从 8 英寸转换为 12 英寸，通过2 l } * D 7 / i提高硅片切割的利用率来降低 IGBT 芯片成本。

3.3 优化的封装技术

由于芯片技术的不断完善，芯片的最高工作节温及功率密度不断提高。因此，o h 1 C * $ # u IGBT 模块封装技术将围a ^ = 1 x绕着芯片焊接可靠性、芯片与功率端B C - o 4 ~子互联技术及降低热阻 3 个方面不断改进。

另外，无绑定线键合、集成电流 / 温度传3 ) - 7 f J J s感器、集成控制 / 驱动电路及双面冷却都有助于提高 IGBT 的功率循环次数、抗振动等级和功率密度，同时降低引线电感及芯片到散热器热阻。

3.4 智能化和功能安全设计

功率电子传统意义上. ^ Q是一个被动的执行器件7 c 2 B $ I，接收指令后动作。未来的趋势是不仅简单地接收指令，还有部分判断和保护功能。例如在 IGBT 模块内集b % z V Q s G成控制和驱动电路、增加电流和9 6 h 0温度传感器。

当 KL15 信号处于 OFF 状态，DC-link 电压由于电机反电势高而超过阀值电压时，IGBT 模块内部控制系统可采用相应控制策略降低反电势电压。在电池电压偏高时，可降低功率器件开关速度；在电池电压正常时，切换为最高效开关动作。因此， 功率器件的智d / - Y Z _能化可以让电子控制系统A S ^ R 9 H达到更高安全等级。

3.5 平台化设计

典型W N . } 9 S 的汽车电子产品研发周期需要 2Z l R z K ~ 3 年* O k w v，如果开发一个产品平台，可以显著缩短开发周期和降低成本。以目前市场上应用较为广泛的汽车级 Hybrid PACK 产品为例，其产品家族分为 HP1-DC6 和 HP Drive 两个封装/ i D 5 X u平台。其中 HP1-DC6p T D X 产品平台适用于h v * ` 50 ~ 100 kW 的应用，HPDriv) c a |e 则覆盖了 80 ~ 180 kW 的应用（见图 5 所示）。

图 5 Hybrid PACK 产品家族

4. 从 0 汽车级大功b F . }率 IGBT 研究中得到的启示

随着新能源汽车产业的迅速发展以及产销量逐年攀升，产品设计的v ! v . % N可靠性和质量要求也愈来愈严格。汽车级产品、系统设4 - : `计和认证体系是高可靠性的保证。

汽车级 IGT L & ` + ! Z VBT 模块从设计概念到产品上线生产历时 3 年时间， 其中 18 个月用于可靠性实验。 可靠性实验的主要工作是根据已知7 ` m加速模型进行加速老化试验，例如功率循环测试，需要为 IGBT 注入大电流使其节温变化达到 100 K，历经 7 万次循环而不出现质量问题；还有机械振动测试 20 g，机械冲击测试 50 g。如 Hybrid PACK HP 1 模块产品在车辆运行 20 万 km 后返厂分析，其各项电气指标均符合出厂检验标准且寿命消耗不足 50%c J 9。

另外， 产能和生产保证也得到更多关注。针对 IGBT 模块的前道芯片生产到后道封装生产产能的增长以及生产工厂的双备份（不同地区建设备份的生产线）都是新能源汽车发展的基础保障。

各大新能源企业需要思考适合自身发展的战略布局，如何采用技术创新从研发成本、销售及服务方面开辟属于自己的市场空间，达到盈利目标。