電動汽車的安全性和可靠性。芯片結構是決定 IGBT 芯片性能的關鍵因素。因此，芯片本體的優(yōu)化設計是提高電動汽車牽引逆變器功率密度、運行效率和工況適應性的基礎。圍繞電動汽車 IGBT 芯片電流密度提升和功率損耗降低方面的國內外研究，分類探討溝槽柵技術、屏蔽柵結構、載流子存儲層、超級結和逆導技術等關鍵技術的最新進展；梳理了IGBT 芯片在高壓/高溫等復雜工況下的可靠性提升技術，特別是對緩沖層和終端結構的優(yōu)化設計進行了總結和歸納。此外，還著重探討了 IGBT 器件的多功能一體化集成技術，包括片上集成溫度/電流等傳感器技術和模塊內部集成無損緩沖電路等。在此基礎上，結合電動汽車的發(fā)展趨勢展望了電動汽車 IGBT 芯片技術的未來研究方向。

0 引言

隨著全球變暖和環(huán)境污染的加劇，以及為緩解日益嚴峻的節(jié)能減排壓力，歐洲多國先后宣布全面禁售燃油車時間表，中國也計劃將于 2050 年前實現傳統(tǒng)燃油車的全面退出。目前，世界主要發(fā)達國家都相繼發(fā)布和實施新的電動汽車發(fā)展戰(zhàn)略，使汽車動力電氣化成為汽車史上最大的變革。

截至 2019 年底，全國新能源汽車保有量達到381 萬輛，相比 2018 年增長 46.05%，其中純電動汽車保有量達 310 萬輛，占比 80%以上。隨著電動汽車市場份額的不斷擴大，車輛電動化會在交通方式的演變過程中起主導作用。同時，我國對電動汽車行業(yè)持續(xù)出臺政策扶持，以及汽車產業(yè)在電動汽車業(yè)務上的擴大投入都表明：車輛電動化趨勢在未來很長一段時間內將保持強勁的增長態(tài)勢。

牽引逆變器是電動汽車動力總成系統(tǒng)的核心能源轉換單元，將動力電池輸出的直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟婒寗与姍C，同時在車輛制動時實現能量回饋。車輛的頻繁啟停導致逆變器中的功率半導體器件需要承受大幅溫度波動或機械振動帶來的應力沖擊。為保障電動汽車的安全可靠運行，逆變器須在能夠應對高功率、大電流等極限工況和電磁兼容性挑戰(zhàn)的同時，還需兼顧使用壽命、可靠性及成本要求。

復雜、多變的運行工況(例如路面不平、坡道以及高溫、高濕等環(huán)境)以及大眾消費特點要求電動汽車需具備動力強、效率高和安全可靠等 3 種屬性。牽引逆變器的功率密度直接決定了電動汽車的動力輸出能力，由于牽引逆變器體積和母線電壓等級的限制，當前實現高功率密度均著眼于逆變器中功率半導體器件電流密度的提高。此外，電動汽車續(xù)航能力的提升一方面需通過功率半導體器件的低功率損耗優(yōu)化技術來提高牽引逆變器的能量轉換效率；另一方面，通過提高動力電池的電壓等級實現充電效率的提升，這對功率半導體器件耐壓等級提出了更高要求；同時，高溫漏電流會使芯片熱可靠性急劇下降，甚至導致功率半導體器件損壞，引發(fā)逆變器二次燒毀；而保障高溫工況下牽引逆變器的安全可靠性運行一方面要求功率半導體模塊封裝具有良好的散熱能力；另一方面，要求通過功率半導體體結構優(yōu)化技術，提高其耐高溫能力。最后，電動汽車直接關系人身安全，牽引逆變器的安全、可靠運行離不開傳感器對其運行狀態(tài)的精準監(jiān)控以及輔助電路的保護作用，將傳感器或驅動/緩沖電路集成在功率半導體器件上或功率模塊內部，有利于進一步提高牽引逆變器的功率密度。

目前，可用于車規(guī)級功率模塊的功率半導體器件，包括碳化硅基功率金屬氧化物半導體場效應晶體 管 (metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)和硅基 IGBT。

雖然碳化硅(silicon carbide，SiC)器件具有大功率、耐高溫、損耗低及開關速度快等優(yōu)勢；但其成本高，動態(tài)特性對封裝雜感參數敏感，缺少長期運行可靠性評估，并且微管缺陷(micropipe defect，MPD)、Bazel平面缺陷(Bazel plane defect，BPD)等主要材料問題和柵極氧化層的工藝可靠性有待解決。同時，由于當前工藝限制，單個碳化硅芯片面積小，載流能力遠低于硅基 IGBT 芯片，因此需更多芯片并聯使用，而實現多個芯片間的均流以及低熱耦合是碳化硅逆變器設計中亟需解決的問題。此外，傳統(tǒng)的封裝形式雜散電感大，封裝材料耐溫低，限制了碳化硅器件發(fā)揮其開關速度快和耐溫高的優(yōu)勢。以上因素均在一定程度上制約了碳化硅器件在電動汽車領域的廣泛應用。目前，市面上特斯拉的部分車型中已使用碳化硅器件，減輕了整車重量，且增加了續(xù)航里程。因此，可以預見，碳化硅器件今后將會和硅基器件長期并存互補，共同成為電動汽車領域的主流選擇，推動牽引逆變器向高功率密度、高效率等方向前進。

鑒于車規(guī)級功率模塊的應用場景需求分析，硅基 IGBT 芯片仍是電動汽車逆變器應用上的主流功率器件，且極具發(fā)展?jié)摿Γ湫酒夹g演進歷程如圖 1 所示。本文重點就電動汽車 IGBT 芯片大電流密度、低損耗優(yōu)化技術，高壓/高溫技術和智能集成技術 3 個關鍵優(yōu)化方向對電動汽車 IGBT 芯片技術進行梳理總結，并在此基礎上展望電動汽車 IGBT芯片技術的發(fā)展方向。

1 車規(guī)級芯片大電流密度、低損耗技術

目前，為滿足電動汽車的功率需求，牽引逆變器中一般使用多芯片并聯的功率模塊。然而，多芯片并聯會帶來并聯芯片間電流分布不均，回路雜散電感增大和散熱效率下降等問題；同時，受到封裝尺寸的限制，現有技術下標準模塊的功率很難得到有效地提升。因此，亟需通過提高單個芯片的電流密度，來實現模塊功率密度以及模塊電、熱性能的綜合提升。

1.1 溝槽柵技術

相比于平面柵結構，溝槽柵技術由于消除了結型場效應管(junction gate field-effect transistor，JEFT)區(qū)域，具有元胞緊湊和通態(tài)壓降小的特點，可以實現更大的電流密度，因此被廣泛用于電動汽車芯片領域，如圖 2 所示。

Nakagawa 在 2006 年 ISPSD 會議上討論了臺面寬度(即溝槽間距，mesa)對 IGBT 芯片 V-I 曲線的影響，指出在一定范圍內，通過減小臺面寬度，提高電子注入效率，可以提升 IGBT 芯片在相同導通電壓下的電流密度，如圖 3 所示。

英飛凌公司于 2000 年推出了采用溝槽柵技術的 IGBT3，后續(xù)主要通過調整溝槽柵間距來實現芯片迭代優(yōu)化設計，如圖 4 所示。相比于傳統(tǒng)溝槽柵結構，TRENCHSTOP^TM 5 柵極結構更加緊湊，導電溝道寬度顯著提高，導通損耗減小 10%。在此基礎上，英飛凌公司于 2016 年開發(fā)出適合電動汽車應用的 750V EDT2 芯片，使用精細化溝槽技術(micro pattern trench，MPT)降低溝槽柵間距至亞微米級，約 600nm，并采用了虛擬陪柵結構和非有源區(qū)以提高元胞通態(tài)時發(fā)射極端載流子濃度，電流密度達275A/cm²，如圖 5 所示。因此，相比于 IGBT3，EDT2的通態(tài)飽和壓降在 25℃和 150℃下分別減小了 14%和 20%。MPT 溝槽組成多樣，如圖 6 所示，其中虛擬陪柵結構可以通過接地或接有源柵極的方式調節(jié)芯片的 C_gd 和 C_gs，因此，EDT2 可使用較大的柵極電阻實現與 IGBT3 相同的開關速度，即其柵極電阻調節(jié)范圍大，開關可控性高，有利于抑制電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)。但 EDT2的不足在于，相比于 IGBT3 在 150℃下 6μs 的短路耐受時間，溝道寬度的調整造成其短路耐受時間降至 4μs。

為進一步確保電動汽車 IGBT 芯片安全可靠運行，通過減小臺面寬度提高芯片電流密度時，還需要考慮如何避免閂鎖效應。中車時代電氣于 2017年研制出車規(guī)級溝槽柵 IGBT 芯片，隨后在此基礎上提出了如圖 7 所示的溝槽結構，在 2 個有源溝槽柵之間增加直接與發(fā)射極連接的溝槽，即嵌入式溝槽發(fā)射極(recessed emitter trench，RET)結構。在IGBT 芯片導通時，RET 結構可通過為空穴提供額外的流動路徑，如圖 8 所示，減小 n+發(fā)射極下空穴流動的數量，使芯片在大電流下也難觸發(fā)閂 鎖。可將溝槽臺面寬度降至 1.2μm，實現在相同關斷損耗下芯片通態(tài)壓降低 17.5%，且電流密度可對標英飛凌的 EDT2 芯片；同時，引入浮動的虛擬陪柵結構，增強芯片的 di/dt 可控性。在此基礎上，嵌入式溝槽陪柵結構(recessed dummy trench，RDT)IGBT 芯片將虛擬陪柵結構連接至發(fā)射極，減小密勒電容，以提高 IGBT 開通 di/dt，從而實現在電動汽車應用工況下開通損耗降低 27%。

類似地，日本瑞薩電子公司在電動汽車 IGBT芯片元胞優(yōu)化上采用了非均勻間距的溝槽結構，有源區(qū)與發(fā)射極區(qū)通過寬 p 區(qū)隔離，通過調節(jié)此區(qū)寬度與有源區(qū)的寬度比，來優(yōu)化芯片的電流密度和短路電流能力之間的折衷關系。

圖 9 顯示了溝槽柵技術需在電流密度、短路耐量和開關損耗 3 個方面做折衷設計考慮。電動汽車IGBT 芯片通過增加有源溝槽的數目或采用溝槽精細化技術均可以有效提高電流密度，同時結合非有源溝槽結構占比的調整，優(yōu)化電流密度與短路耐量之間的折衷關系。引入虛擬陪柵結構可以減小芯片的密勒電容，從而降低開關損耗，但是需要考慮其連接方式對芯片短路耐量和開關損耗之間折衷關系的影響：虛擬陪柵結構接地可提高 di/dt，但是犧牲了外部驅動電阻對 di/dt 的可控性；而采用浮動的虛擬陪柵結構可提高芯片 di/dt 的可控性，減小芯片短路時的浪涌電流峰值，提高短路耐量。

1.2 屏蔽柵技術

僅通過增加溝槽柵數目或減小臺面寬度提高IGBT 芯片的電流密度，會同時增大柵極與集電極的正對面積，導致 IGBT 芯片的密勒電容變大，從而引起 IGBT 芯片開關速度減慢和損耗增大的問題。為解決上述問題，富士公司提出了溝槽分離(split gate)和屏蔽溝槽柵技術(trench shield gate)。

圖 10 給出溝槽分離結構，其使用 SiO₂將溝槽從中間分離，并連接非有源區(qū)與發(fā)射極，用以減小柵極與集電極的正對面積。相比于傳統(tǒng)溝槽結構，該結構實現了密勒電容降至 1/10，繼而開通損耗降低10%；同時，通過浮動 p 體區(qū)，提高注入效應，使通態(tài)壓降降低了 13%。屏蔽溝槽柵技術與分離溝槽結構原理類似，如圖 11 所示，區(qū)別在于無需添加氧化物來分離溝槽，簡化了制造工藝，并且相比于無屏蔽溝槽結構的 IGBT，開通損耗降低 26%。

香港科技大學和日立公司分別提出了 Fin-pbody IGBT和 Side Gate HiGT結構，如圖 12、13 所示，兩者原理類似，即通過減小柵極與集電極的正對面積，使 IGBT 芯片的密勒電容相比于傳統(tǒng)溝槽結構減小 60%以上，并通過去除浮動 p 體區(qū)域，提高IGBT芯片di/dt的可控性，可有效抑制EMI。

1.3 載流子存儲層技術

目前，溝槽柵制造工藝，例如光刻機的最小線寬和對準能力，是 IGBT 芯片臺面寬度進一步下降的瓶頸，因此實現 IGBT 芯片電流密度的提升和功率損耗的下降還需要結合載流子存儲技術，使IGBT 芯片中載流子分布更接近最優(yōu)狀態(tài)。

傳統(tǒng) IGBT 芯片的載流子濃度從背面集電極到正面發(fā)射極遞減，正面發(fā)射極的低載流子濃度限制了通態(tài)壓降的降低。因此，三菱公司針對電動汽車應用領域提出載流子存儲溝槽柵雙極晶體管(carrier stored trench-gate bipolar transistor，CSTBT)芯片結構，如圖 14 所示，已于 2012 年迭代至第七代。該結構在利用精細化溝槽技術提高 IGBT 芯片電流密度的基礎上，通過添加載流子存儲層(carrier stored layer，CS layer)阻止空穴進入 p 基區(qū)，以提高近發(fā)射極處的空穴濃度，實現通態(tài)電壓減小至少 20%。同時，由于各元胞的導通閾值電壓Vge(th)與溝道和 CS 層摻雜濃度有關，因此該工藝的難點在于，如何弱化形成 CS 層時對各元胞 Vge(th)一致性的影響。得益于采用高能注入技術形成 CS 層，相比于熱擴散技術，其減小了 CS 層形成時對溝槽摻雜濃度的影響，進而提高 Vge(th)的一致性，改善了 IGBT 芯片通態(tài)時各元胞的均流效果，如圖 15 所示。

1.4 超級結技術和逆導 IGBT 技術

超級結概念打破了傳統(tǒng)硅器件導通壓降與耐壓間的極限關系，在 MOSFET 中已經成功實現了大規(guī)模應用。目前，已有將超級結概念應用到中低壓等級車規(guī)級 IGBT 芯片的相關研究，用以更進一步地降低芯片的損耗，如圖 16 所示，其通過調整超級結p柱的摻雜濃度和幾何結構，可以實現200℃下關斷損耗和通態(tài)電壓折衷關系的優(yōu)化。

逆導型 IGBT(reverse conducting IGBT，RC-IGBT)在傳統(tǒng) IGBT 芯片的集電極局部引入 n+區(qū)，與 n-漂移區(qū)和 p 基區(qū)形成 p-i-n 二極管，如 圖 17 所示。在同一芯片上將 IGBT 和二極管反并聯；芯片面積的減小使封裝更加方便，同時節(jié)省了焊接芯片和鍵合綁定線的成本，具有更大的成本優(yōu)勢。此外，RC-IGBT 散熱面積大，允許的工作結溫更高，極大提高了單個芯片的功率密度。富士公司已經成功將其第七代 RC-IGBT 用于 1200A/750V 電動汽車功率模塊。

但是，目前 RC-IGBT 芯片存在電壓回跳現象，且由于反向恢復特性差和成品率較低等因素還未實現廣泛應用。

由表 1 可知，上述優(yōu)化方式和新型結構一般只針對單一目標，因此實現電動汽車 IGBT 芯片在大電流密度的基礎上兼顧低損耗，則需要考慮多種優(yōu)化技術的有機組合。溝槽柵技術是提高電動汽車IGBT 芯片電流密度、減小功率損耗的主要實現途徑。其中，減小臺面寬度是主要的優(yōu)化方式，當前IGBT 芯片臺面寬度遠大于硅 IGBT 的理論極限(20~40nm)，因此減小臺面寬度這一優(yōu)化趨勢目前不會改變。在此基礎上，結合虛擬陪柵結構、屏蔽柵結構和載流子存儲層設計來降低通態(tài)壓降和密勒電容，實現功率損耗降低。隨著電動汽車對IGBT 芯片功率密度、成本和結溫要求的進一步提高，以及芯片設計、制造等核心技術的突破，超級結 IGBT 和逆導 IGBT 將會成為未來重點研究方向。

2 車規(guī)級芯片高壓/高溫技術

電動汽車牽引逆變器的過載運行會使 IGBT 芯片承受過電壓和高溫，可采用高壓/高溫技術對IGBT 芯片體結構進行優(yōu)化。

2.1 緩沖層技術

芯片減薄是實現通態(tài)壓降和關斷損耗折衷關系優(yōu)化和成本降低的重要途徑，有助于提升電動汽車的效率和功率密度，也是當前芯片的發(fā)展趨勢。但是芯片厚度的減小也會帶來耐壓裕量下降的問題，因此需要添加緩沖層改變電場分布，實現芯片耐壓等級提高。當前，場截止型(field stop，FS) IGBT占據電動汽車 IGBT 芯片應用主流，其緩沖層的優(yōu)化主要著眼于摻雜性質的改進，以實現芯片耐壓能力的提高，以及高溫漏電流的降低和芯片運行允許結溫的增大。

英飛凌公司對 600V IGBT 芯片的場截止層中摻入一種深能級雜質(例如硒或硫)，其在高溫下釋放出更多的電子，減小陽極電流增益α_pnp，從而降低高溫下漏電流。

此外，為進一步避免芯片變薄對耐壓能力的影響，同時順應電動汽車動力電池電壓提高的趨勢。電動汽車 IGBT 芯片還可借鑒高壓 IGBT 芯片中應用的緩沖層雙摻雜濃度峰值技術等。

2.2 終端結構優(yōu)化

終端結構主要通過緩解結面處的電場集中效應，實現增大器件擊穿電壓和提高可靠性的目的。目前，電動汽車用中低壓器件普遍采用場限環(huán)(field limiting rings，FLRs)與場板(field plates，FPs)相結合的終端結構，如圖 18 所示。這種終端技術制造工藝簡單，且一般通過增大場限環(huán)個數、寬度以及場板的長度，即可提高器件耐壓能力；但是由于器件耐壓能力與環(huán)數、環(huán)寬和場板長度之間存在非線性關系，因此如何選擇合適的環(huán)寬、個數及場板的長度是一大技術難點。

同時，為提高芯片高溫性能，采用半絕緣材料，比如摻氧半絕緣多晶硅 (semi-insulating polycrystalline silicon，SIPOS)將 p+區(qū)和 n+區(qū)連接起來，如圖 19 所示，從而有效利用半絕緣材料在高溫下的微導電性將場限環(huán)中聚集的電荷釋放出來，避免場板末端出現局部擊穿，以提高芯片的高溫耐壓性能。并且，SIPOS 層還可以有效阻擋離子對器件的污染，提高器件的可靠性。

為提高電動汽車 IGBT 芯片面積利用率及降低成本，終端結構還以可借鑒超級結或溝槽柵終端結構，英飛凌公司已在其 CoolMOS 芯片中應用溝槽柵終端技術，通過橫向和縱向相結合的方式分散電場，減小終端結構面積。

3 車規(guī)級芯片智能集成技術

智能集成技術的首要目的是要保證 IGBT 芯片在惡劣工況下仍能安全可靠運行，例如通過實時監(jiān)控 IGBT 芯片結溫和瞬態(tài)電流調整控制策略，在IGBT 模塊內部設置無損緩沖回路吸收芯片關斷時產生的電壓尖峰；同時，為提升電動汽車的功率密度，還可以在芯片內部集成部分驅動功能以減小驅動電路體積。

3.1 溫度/電流傳感器集成技術

對于溫度檢測，IGBT 模塊內集成負溫度系數熱敏電阻(negative temperature coefficient，NTC)較為常見，但是由于 NTC 與芯片有一定距離，造成結溫測量速度慢，精度低，所以并不適用于電動汽車應用工況。因此，芯片上直接集成溫度傳感器逐漸引起了人們的重視。如圖 20 所示，三菱公司通過在 IGBT 芯片上集成基于多個多晶硅二極管并聯的結構，利用二極管正向導通壓降 Vf與結溫的近線性關系來監(jiān)控芯片結溫，并應用于車規(guī)級 J 系列T-PM IGBT 模塊。集成溫度傳感器更高的測量精度也有助于芯片通流設計裕量和模塊散熱器體積減小，提高電動汽車牽引逆變器的功率密度。

但是在短路或過壓等工況引起 IGBT 芯片結溫在短時間內急劇升高時，集成溫度傳感器不足以立即響應保護，因此 IGBT 芯片還需結合集成電流傳感器技術，其通過芯片上分出部分元胞的鏡像電流來監(jiān)控主芯片的電流大小；當發(fā)動機系統(tǒng)出現異常狀況時，IGBT 模塊的控制系統(tǒng)可根據當前的電流與結溫水平，判斷出相應的故障模式，并調整當前控制策略以保護系統(tǒng)正常運行。截至目前，國際知名廠商如英飛凌、三菱和富士等都已經將溫度和電流傳感器同時集成于電動汽車 IGBT 芯片上。

3.2 門極驅動電阻集成技術

傳統(tǒng) IGBT 模塊的驅動電路通常需要分別設置開通和關斷時的門極驅動電阻，造成 IGBT 模塊的驅動電路體積較大；且驅動電路不可避免地在柵極回路引入雜散電感，降低 IGBT 芯片的開關速度。針對上述問題，英飛凌公司提出將門極驅動電阻集成在 IGBT 芯片內部，如圖 21 所示。在溝槽柵門極金屬電極的下方添加了 p 區(qū)和 n 區(qū)摻雜區(qū)，當 IGBT 芯片開通時，驅動電流主要通過門極金屬電極和正偏的 pn 結流入多晶硅電極中；當IGBT 芯片關斷時，由于 pn 結反偏，驅動電流僅通過門極金屬電極與多晶硅電極接觸的部分流出。因此，通過門極開通和關斷電流流經路徑的不同實現IGBT 芯片開關過程門極驅動電阻的差異化。并且，通過調整 p, n 區(qū)的摻雜濃度可以改變驅動電阻的大小。除了上述集成方式外，還可以通過調整 p 區(qū)和n 區(qū)的位置或在門極金屬電極與多晶硅電極直接接觸的部分添加低摻雜 n 區(qū)實現 IGBT 芯片門極驅動電阻值的調整，如圖 22 所示。采用集成門極驅動電阻的 IGBT 芯片可避免引入外部驅動電路帶來的雜散電感，同時減小了驅動電路體積，可以有效提高電動汽車 IGBT 功率模塊的功率密度。

3.3 緩沖電路集成技術

為抑制 IGBT 關斷電壓過沖/振蕩，德國Fraunhofer IISB研究所Matlok提出了在功率模塊內部集成 RC 芯片的方案。傳統(tǒng)功率模塊外部連接母線和內部回路的雜散電感會造成 IGBT 芯片關斷時電壓過沖和振蕩，而目前的解決方法存在諸多弊端，例如提高驅動電阻、降低開關速度會導致開關損耗增大。如圖 23 所示，RC 芯片則可直接焊接于功率模塊內部靠近器件的位置，實現器件開關過程與外部雜感的解耦，大幅降低器件關斷電壓過沖和振蕩，保障電動汽車安全可靠地運行。

4 機遇挑戰(zhàn)和前景展望

在電動汽車朝著大功率密度、高安全性和低成本的方向前進時，功率器件的電流密度、功率損耗以及可靠性起著關鍵性作用。元胞、體結構優(yōu)化和智能集成技術是實現上述目標的根本途徑。然而，實現電動汽車 IGBT 芯片優(yōu)化技術大規(guī)模應用和新的突破，還需要開展大量工作，目前面臨的挑戰(zhàn)有以下幾個方面：

1）溝槽柵精細化的進一步研究。目前，英飛凌公司 EDT2 的臺面寬度最小，約為 600nm，但仍遠大于理論極限水平 20~40nm。改進溝槽制造工藝，例如深亞微米級的曝光技術、化學機械拋光、快速熱退火處理等，進一步減小槽間臺面寬度始終是提升芯片電流密度的關鍵。

2）IGBT 芯片高壓/高溫優(yōu)化技術的研究。電動汽車動力電池電壓等級在主流 400V 的基礎上呈現上升趨勢，目前已有保時捷、雪佛蘭、菲斯克等多個汽車廠家都已在開發(fā)采用 800V 動力電池的電動汽車，其中保時捷 Taycan 已經進入市場；動力電池電壓等級升高對電動汽車 IGBT 芯片的耐壓能力提出了更高的要求。提高 IGBT 芯片工作結溫是提高功率密度，確保電動汽車逆變器可靠運行的關鍵。一方面，通過改進緩沖層摻雜方式，來減小高溫漏電流；另一方面，需要解決電壓回跳問題以推動 RC-IGBT 芯片在電動汽車領域的廣泛使用。

3）多種優(yōu)化技術組合的探索。IGBT 芯片特性之間相互影響，例如電流密度、開關損耗和短路耐量間存在著復雜的制約關系，僅使用單一技術對IGBT 芯片性能進行改進會帶來新的問題。溝槽精細化、超級結、逆導技術、薄片工藝和終端結構技術的結合為電動汽車 IGBT 芯片實現多種特性的折衷提供了更多的可能。

4）多功能集成技術的研究。進一步提高電動汽車 IGBT 模塊的功率密度，集成化 IGBT 芯片技術是重要手段。通過在芯片上集成部分智能驅動功能，實現運行異常時的自我糾正，電動汽車運行可靠性提高的方案有待進一步探索。

5 結論

經過數十年的發(fā)展，硅基 IGBT 芯片元胞和體結構優(yōu)化技術的不斷成熟，使其已經具有更高的電流密度、可靠性和價格優(yōu)勢以及更低的功耗。在電動汽車應用領域，IGBT 芯片性能優(yōu)化的思路基本為：在溝槽精細化的基礎上，采用薄片工藝并優(yōu)化背面緩沖層設計，再結合優(yōu)良的終端結構提高芯片耐壓等級；還可將 IGBT 芯片和反并聯二極管整合于一體，形成 RC-IGBT 結構，進一步提升芯片電流密度；同時，芯片上集成溫度/電流傳感器，門極驅動電阻以及 RC 芯片，有利于提高芯片長期運行的可靠性。當前，部分半導體廠商已經將上述優(yōu)化方式集成，并在電動汽車 IGBT 芯片上得以實現。

本文分析并探討了未來電動汽車 IGBT 芯片性能優(yōu)化的方向，整理歸納實現芯片電流密度提升、損耗降低的優(yōu)化方法；總結了目前常用的提高芯片工作結溫和耐壓能力的技術；論述了現有的芯片集成溫度/電流傳感器和緩沖電路的技術。最后，指出電動汽車 IGBT 芯片面臨的問題，并展望其發(fā)展趨勢。希望本文的工作能夠為我國電動汽車 IGBT 芯片的設計和優(yōu)化方向提供參考。