关注新能源车的敌人应该都知“IGBT”这个词，如果你去4S店买新能源车在谈到提车工夫时，销售可能都会说因为芯片产能的有余，缺“芯片”导致整车的交付工夫加长。这个“缺芯片”中也蕴含新能源汽车上必不可少IGBT。

受害于新能源汽车、新能源发电等需要推动，实际上，局部IDM厂在年中即公开表态，订单一路接满至2023年，虽难排除有局部客户可能是超额下单(overbooking)。IGBT是新能源汽车中的外围元器件，目前寰球供给次要仍集中在国内整合元件厂(IDM)。机构认为，受害于国内新能源车的高速倒退，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%。

明天次要从技术的角度，具体来聊聊IGBT吧。

相比于传统汽车，新能源汽车的生产须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。汽车的芯片品种次要包含主控芯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） ，能够等效看做是MOS管和三极管的结合体。

图片起源：华秋商城

回顾三极管和MOS的工作原理&特点：

01 先来理解下三极管:

三极管属于电流管制型，通过在基极施加一个很小的电流，能够在集电极和发射极之间取得更大的电流通过。在电路中利用的最多的放大作用和开关作用。

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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是一个一般的三极管，Ice仅仅只有几百mA。驱动一个发光二极管是入不敷出的。

在一些须要大电流的驱动场景就须要一个叫GTR（Giant Transistor）的三极管，GTR 是三极管的一种，属于巨型晶体管，因为可工作在高电压、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十分小，载流密度十分大，能够做到很高的通路电流。然而在大功率利用场景下时须要耗费较高的驱动电流，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，留神几个词“绝缘”、“场效应”。这将是MOS与三极管最大的不同之处。

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MOS管从构造上次要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因而具备很高的输入阻抗。这就是其名称中 “绝缘” 一词的由来。

因为绝缘层的存在，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造成导电沟道，所以工作原理能够了解为它是利用VGS来管制“感应电荷”的多少，以扭转由这些“感应电荷”造成的导电沟道的情况，而后达到管制漏极电流的目标。所以这就是其名称中 “场效应” 的起源。

在一些高电压驱动场景中，须要高耐压的MOS，这样就要从结构上做调整，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，其导通电阻中各局部电阻比例散布也不同。

比方耐压30V的MOS管，其内涵层电阻仅为总导通电阻的29%，耐压600V的MOS管的内涵层电阻则是总导通电阻的96.5%。想要取得高阻断电压，就必须采纳高电阻率的内涵层，并且厚度减少。这就是高耐压MOS的导通电阻高的起因。

03 总结三极管和MOS管的优缺点：

三极管（特指GTR巨型晶体管）

  • 长处：载流子多，导通电阻小；
  • 毛病：电流管制形式，耗费较大的驱动电流；

MOS（特指低压MOS）

  • 长处：输入阻抗大，简直不耗费驱动电流。
  • 毛病：导通电阻大。

那么在一些低压大电流的驱动场景应该如何抉择呢？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毛病都是不被容许的存在的，会大大影响电路的工作效率，同时会产生比拟难克服的热量，影响整个产品的寿命。

IGBT的诞生

IGBT诞生了，如后面所讲，IGBT是由MOS管和三极管联合组成的，既然要联合，那么必定要继承两者的低劣基因。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、不耗费驱动电流，非常适合大功率驱动场景。

如下图是IGBT结构示意图，相当于在MOS管的根底上再叠加一个三极管。通过PNP和NPN的组合形成了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”。

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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造成低阻状态，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。当栅极电压勾销或负压时，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个性，能够当做开关利用在大功率的驱动电路中。

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IGBT的利用

IGBT是能源变换与传输的外围器件，也被称为电力电子装置的“CPU”，次要利用在航空航天、轨道交通、智能电网、、电动汽车与新能源配备等畛域。

如下是仙童半导体的FGH60N60SMD规格参数,次要利用在太阳能逆变器UPS，焊机等畛域，能够看到耐压能够达到600V，Ice在常温下能够达到120A。

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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能源输入的，所以存在交换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。这两个过程都是须要通过应用IGBT设计的电路来实现。

01 利用在充电桩

220V交换市电给电池充电时，须要通过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能力给电池组充电。

比方特斯拉的快充为高功率直流电充电，充电功率个别可达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，电能间接进入电池充电。

02 利用在电机驱动

新能源汽车应用的是三相异步交换电机，电池的直流电是不能间接驱动电机转动的，电池放电驱动电机的时候，通过IGBT组成的电路，把直流电转变成交换电机应用的交流电，同时起到对交换电机的变频和变压的管制。

如下是直流电源利用IGBT的开关作用来驱动电机转动的简略示意图，控制器负责输入管制IGBT1~6的开启和敞开的信号，从而将电池的直流电转换为可驱动三相异步交换电机转动的交流电。

03 利用在车载空调

新能源汽车车载空调的工作原理与电动驱动雷同，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

有些新能源车还装备了向外输入220V/50Hz交换的接口，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，能够说是电动车的的核心技术之一，IGBT的好坏间接影响电动车功率的开释速度。特斯拉Model X应用132个IGBT管，其中后电机为96个，前电机为36个IGBT约占电机驱动零碎老本的一半，IGBT是除电池之外老本第二高的元件，也决定了整车的能源效率。