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隨著新能源汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來越多的IGBT產(chǎn)品應(yīng)運而生。汽車零部件時常暴露在惡劣的氣候條件下，因此必須保證汽車級產(chǎn)品在高溫、高濕、高壓條件下可靠運行。如何選擇合適的汽車級半導體器件，對于Tier1和OEM的產(chǎn)品可靠性及其成本至關(guān)重要。本文將從汽車行業(yè)的IGBT模塊環(huán)境試驗的要求出發(fā)，介紹汽車級功率半導體器件IGBT模塊需要滿足的條件。IGBT全稱為絕緣柵雙極晶體管，是電力電子行業(yè)廣泛應(yīng)用的半導體器件。這里講述的模塊是一種具體的封裝形式，它是IGBT芯片的載體并起到保護作用。

一、IGBT的定義

一般來說，電動汽車的電驅(qū)系統(tǒng)包括電機、電控、減速器，合稱為電驅(qū)系統(tǒng)。為了讓車輛運行，電機控制器會將動力電池的直流電變?yōu)榻涣麟姡?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/電流/" target="_blank">電流帶動驅(qū)動電機工作，從而讓四個輪子跑起來。其中將直流電變?yōu)榻涣麟姷囊粋€關(guān)鍵部件就是逆變器，而IGBT（絕緣柵雙極型晶體管——Insulated Gate Bipolar Transistor）模塊形象來說，則是讓逆變器正常工作的一個個細胞。從技術(shù)層面說，IGBT是一種能夠承受高電壓和高電流的開關(guān)器件，若干個IGBT芯片單元的并串聯(lián)結(jié)構(gòu)組成IGBT模塊。當直流電通過模塊時，通過不同開關(guān)組合的快速開斷，來改變電流的流出方向和頻率，從而輸出得到我們想要的交流電，因此又叫IGBT門極驅(qū)動技術(shù)。IGBT作為結(jié)合了結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）和雙極型開關(guān)器件（BJT）優(yōu)點的功率半導體開關(guān)器件，具有低開關(guān)損耗、高開關(guān)速度、低導通電壓降、高飽和電流以及出色的高溫工作能力等特點，特別適合應(yīng)用在電動汽車領(lǐng)域。

而伴隨著電動汽車的普及和客戶需求的提高，IGBT門極驅(qū)動技術(shù)面臨著更多的挑戰(zhàn)。為了滿足電動汽車驅(qū)動電動機的高精度和高速運行需求，IGBT必須能夠快速響應(yīng)高頻控制信號，這就要求門極驅(qū)動技術(shù)能夠提供高速的電流放大和驅(qū)動能力。同時，為了延長電動汽車的續(xù)航里程，降低驅(qū)動電路的功耗成為關(guān)鍵。低功耗的門極驅(qū)動技術(shù)有助于提升系統(tǒng)效率，并降低對驅(qū)動電源的依賴。此外，IGBT的高溫度工作能力也要求門極驅(qū)動技術(shù)具備在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作的能力。鑒于電動汽車行業(yè)的嚴格標準，門極驅(qū)動技術(shù)還需提供更為全面和深入的保護功能，以確保系統(tǒng)的安全可靠運行。

二、 IGBT門極驅(qū)動要求

為了讓IGBT門極驅(qū)動可以正常運作，以下幾個要素必須關(guān)注：

1、 門極驅(qū)動電壓

IGBT的輸入電容較大，因此要實現(xiàn)有效驅(qū)動，就需要提供更高的偏壓。在標準室溫條件下，IGBT的開通電壓閾值UGE(th)通常在4至6V之間。由于寄生電容的存在，開通時會出現(xiàn)一個顯著的大電流脈沖，這就要求在驅(qū)動電源上配備足夠的支撐電容，以應(yīng)對這種短時大電流需求。通常的設(shè)計準則是，每1微法的電容對應(yīng)配置3.3微法的支撐電容。為了降低導通壓降，實際應(yīng)用中選擇的UGE值應(yīng)大于UGE(th)的1.5至3倍。隨著UGE的增加，IGBT的導通壓降會相應(yīng)減小，從而有效減少開通過程中的能量損耗。然而，必須注意的是，在負載發(fā)生短路的情況下，提高UGE會導致集電極電流IC增大，這可能使得IGBT能夠承受的短路脈寬變窄，進而影響其可靠性和安全性。此外，IGBT門極的電壓承受能力一般限制在20V以內(nèi)。由于米勒電容的存在，半橋電路中一個IGBT的開、關(guān)動作產(chǎn)生的dV/dt會對另一個IGBT的門極產(chǎn)生影響，極端情況下可能導致上下管短路。因此，配置適當?shù)年P(guān)斷負壓是必要的。但需要注意的是，關(guān)斷負壓設(shè)置過大也會增加IGBT的開關(guān)損耗，所以設(shè)計人員需要根據(jù)實際情況進行權(quán)衡和配置。綜上所述，設(shè)計IGBT驅(qū)動電路時，需要綜合考慮開通電壓、支撐電容、導通壓降、短路電流、門極電壓承受能力和關(guān)斷負壓等多個因素，以確保IGBT的穩(wěn)定、高效和安全運行。

2、 門極電阻

若想改變門極脈沖的上升和下降邊沿斜率，并減小IGBT集電極上的電壓尖峰，可在IGBT門極串上接入合適的電阻Rg。在選擇Rg時需謹慎：過大的電阻會增加IGBT的導通時間和發(fā)熱損耗，而過小的電阻雖能減小di/dt，但可能引發(fā)誤觸發(fā)和IGBT損壞的風險。特別是在低溫環(huán)境中，由于二極管特性，過小的Rg還易導致門極振蕩。因此，選擇Rg值時應(yīng)全面考慮IGBT的電流容量、電壓額定值、應(yīng)用環(huán)境及開關(guān)頻率等關(guān)鍵因素。

3、門極布線

在進行門極布線時，合理的布線可以起到非常重要的輔助作用，能夠有效地防止?jié)撛诘恼鹗幀F(xiàn)象的發(fā)生，降低噪聲的干擾。在進行門極布線時，需要注意以下幾點來確保布線的合理性和有效性。

（1） 在進行門極布線時，需要注意的是盡量減少驅(qū)動器的輸出級和IGBT 之間可能存在的寄生電感，并盡量減小驅(qū)動回路所占據(jù)的面積。

（2） 為了減少功率電路和控制電路之間的電磁耦合，應(yīng)正確地安置柵極驅(qū)動板或屏蔽驅(qū)動電路。

（3） 為了連接驅(qū)動電路，可以使用輔助發(fā)射極端子將其連接起來。

（4） 如果驅(qū)動電路輸出無法直接連接到IGBT 的門極，那么應(yīng)該使用雙絞線進行連接（2r/cm）。

（5） 在進行門極保護時，箝位元件應(yīng)該盡量靠近門、射極以確保有效的保護。

好了，言歸正傳，了解汽車行業(yè)的半導體標準，可以加深對器件特性的理解，幫助開發(fā)者選擇合適的產(chǎn)品。關(guān)于電動汽車用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊的環(huán)境試驗要求及試驗方法，主要依據(jù)QC/T 1136-2020《電動汽車用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊環(huán)境試驗要求及試驗方法》這一汽車行業(yè)標準，結(jié)合其他相關(guān)規(guī)范共同構(gòu)成測試體系，以下是本期要跟大家分享的具體內(nèi)容：

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寫在最后面的話

綜上，QC/T 1136-2020通過系統(tǒng)化的環(huán)境試驗項目，為電動汽車IGBT模塊的可靠性驗證提供了標準化依據(jù)，是行業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)及質(zhì)量控制的關(guān)鍵參考。同時，在新能源汽車的核心功率器件——汽車電控IGBT模塊方面，過去一直受到英飛凌、三菱電機等國外巨頭的控制。近年來，隨著國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈上游的國產(chǎn)替代步伐正在加快，諸如比亞迪半導體、中車時代、士蘭微、翠展微等國內(nèi)企業(yè)正在不斷崛起，已經(jīng)能夠在一定程度上滿足國內(nèi)對IGBT模塊的需求，甚至有望引領(lǐng)世界潮流。放眼未來我們有理由相信，國內(nèi)的汽車半導體企業(yè)將會更加強勁，在整車制造、動力電池及電池材料等領(lǐng)域，將會展現(xiàn)出更加輝煌的成就。

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審核編輯 黃宇