电动汽车用绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块环境试验要求及试验方法的详解；-电子发烧友网

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随着新能源汽车行业的蓬勃发展，越来越多的IGBT产品应运而生。汽车零部件时常暴露在恶劣的气候条件下，因此必须保证汽车级产品在高温、高湿、高压条件下可靠运行。如何选择合适的汽车级半导体器件，对于Tier1和OEM的产品可靠性及其成本至关重要。本文将从汽车行业的IGBT模块环境试验的要求出发，介绍汽车级功率半导体器件IGBT模块需要满足的条件。IGBT全称为绝缘栅双极晶体管，是电力电子行业广泛应用的半导体器件。这里讲述的模块是一种具体的封装形式，它是IGBT芯片的载体并起到保护作用。

一、IGBT的定义

一般来说，电动汽车的电驱系统包括电机、电控、减速器，合称为电驱系统。为了让车辆运行，电机控制器会将动力电池的直流电变为交流电，电流带动驱动电机工作，从而让四个轮子跑起来。其中将直流电变为交流电的一个关键部件就是逆变器，而IGBT（绝缘栅双极型晶体管——Insulated Gate Bipolar Transistor）模块形象来说，则是让逆变器正常工作的一个个细胞。从技术层面说，IGBT是一种能够承受高电压和高电流的开关器件，若干个IGBT芯片单元的并串联结构组成IGBT模块。当直流电通过模块时，通过不同开关组合的快速开断，来改变电流的流出方向和频率，从而输出得到我们想要的交流电，因此又叫IGBT门极驱动技术。IGBT作为结合了结型场效应晶体管（JFET）和双极型开关器件（BJT）优点的功率半导体开关器件，具有低开关损耗、高开关速度、低导通电压降、高饱和电流以及出色的高温工作能力等特点，特别适合应用在电动汽车领域。

而伴随着电动汽车的普及和客户需求的提高，IGBT门极驱动技术面临着更多的挑战。为了满足电动汽车驱动电动机的高精度和高速运行需求，IGBT必须能够快速响应高频控制信号，这就要求门极驱动技术能够提供高速的电流放大和驱动能力。同时，为了延长电动汽车的续航里程，降低驱动电路的功耗成为关键。低功耗的门极驱动技术有助于提升系统效率，并降低对驱动电源的依赖。此外，IGBT的高温度工作能力也要求门极驱动技术具备在高温环境下稳定工作的能力。鉴于电动汽车行业的严格标准，门极驱动技术还需提供更为全面和深入的保护功能，以确保系统的安全可靠运行。

二、 IGBT门极驱动要求

为了让IGBT门极驱动可以正常运作，以下几个要素必须关注：

1、门极驱动电压

IGBT的输入电容较大，因此要实现有效驱动，就需要提供更高的偏压。在标准室温条件下，IGBT的开通电压阈值UGE(th)通常在4至6V之间。由于寄生电容的存在，开通时会出现一个显著的大电流脉冲，这就要求在驱动电源上配备足够的支撑电容，以应对这种短时大电流需求。通常的设计准则是，每1微法的电容对应配置3.3微法的支撑电容。为了降低导通压降，实际应用中选择的UGE值应大于UGE(th)的1.5至3倍。随着UGE的增加，IGBT的导通压降会相应减小，从而有效减少开通过程中的能量损耗。然而，必须注意的是，在负载发生短路的情况下，提高UGE会导致集电极电流IC增大，这可能使得IGBT能够承受的短路脉宽变窄，进而影响其可靠性和安全性。此外，IGBT门极的电压承受能力一般限制在20V以内。由于米勒电容的存在，半桥电路中一个IGBT的开、关动作产生的dV/dt会对另一个IGBT的门极产生影响，极端情况下可能导致上下管短路。因此，配置适当的关断负压是必要的。但需要注意的是，关断负压设置过大也会增加IGBT的开关损耗，所以设计人员需要根据实际情况进行权衡和配置。综上所述，设计IGBT驱动电路时，需要综合考虑开通电压、支撑电容、导通压降、短路电流、门极电压承受能力和关断负压等多个因素，以确保IGBT的稳定、高效和安全运行。

2、 门极电阻

若想改变门极脉冲的上升和下降边沿斜率，并减小IGBT集电极上的电压尖峰，可在IGBT门极串上接入合适的电阻Rg。在选择Rg时需谨慎：过大的电阻会增加IGBT的导通时间和发热损耗，而过小的电阻虽能减小di/dt，但可能引发误触发和IGBT损坏的风险。特别是在低温环境中，由于二极管特性，过小的Rg还易导致门极振荡。因此，选择Rg值时应全面考虑IGBT的电流容量、电压额定值、应用环境及开关频率等关键因素。

3、门极布线

在进行门极布线时，合理的布线可以起到非常重要的辅助作用，能够有效地防止潜在的震荡现象的发生，降低噪声的干扰。在进行门极布线时，需要注意以下几点来确保布线的合理性和有效性。

（1）在进行门极布线时，需要注意的是尽量减少驱动器的输出级和IGBT 之间可能存在的寄生电感，并尽量减小驱动回路所占据的面积。

（2）为了减少功率电路和控制电路之间的电磁耦合，应正确地安置栅极驱动板或屏蔽驱动电路。

（3）为了连接驱动电路，可以使用辅助发射极端子将其连接起来。

（4）如果驱动电路输出无法直接连接到IGBT 的门极，那么应该使用双绞线进行连接（2r/cm）。

（5）在进行门极保护时，箝位元件应该尽量靠近门、射极以确保有效的保护。

好了，言归正传，了解汽车行业的半导体标准，可以加深对器件特性的理解，帮助开发者选择合适的产品。关于电动汽车用绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块的环境试验要求及试验方法，主要依据QC/T 1136-2020《电动汽车用绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块环境试验要求及试验方法》这一汽车行业标准，结合其他相关规范共同构成测试体系，以下是本期要跟大家分享的具体内容：

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写在最后面的话

综上，QC/T 1136-2020通过系统化的环境试验项目，为电动汽车IGBT模块的可靠性验证提供了标准化依据，是行业研发、生产及质量控制的关键参考。同时，在新能源汽车的核心功率器件——汽车电控IGBT模块方面，过去一直受到英飞凌、三菱电机等国外巨头的控制。近年来，随着国内新能源汽车产业的飞速发展，产业链上游的国产替代步伐正在加快，诸如比亚迪半导体、中车时代、士兰微、翠展微等国内企业正在不断崛起，已经能够在一定程度上满足国内对IGBT模块的需求，甚至有望引领世界潮流。放眼未来我们有理由相信，国内的汽车半导体企业将会更加强劲，在整车制造、动力电池及电池材料等领域，将会展现出更加辉煌的成就。