IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域和性能優(yōu)勢

大家發(fā)現(xiàn)沒，功率半導(dǎo)體中IGBT芯片應(yīng)用范圍太……IGBT

當(dāng)前的新能源車的模塊系統(tǒng)由很多部分組成，如電池、VCU、BSM、電機(jī)等，但是這些都是發(fā)展比較成熟的產(chǎn)品，國內(nèi)外的模塊廠商已經(jīng)開發(fā)了很多，但是有一個模塊需要引起行業(yè)內(nèi)的重視，那就是電機(jī)驅(qū)動部分，則是電機(jī)驅(qū)動部分最核心的元件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極型晶體管芯片）。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一種廣泛應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域的功率開關(guān)器件。以下是一些常見的IGBT應(yīng)用領(lǐng)域：

變頻器: IGBT常用于變頻器中，用于將直流電源轉(zhuǎn)換成可調(diào)頻率、可調(diào)電壓的交流電源，以控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行狀態(tài)。

逆變器: IGBT逆變器用于將直流電源轉(zhuǎn)換成交流電源，例如用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)中將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能。

電力傳輸和分配：IGBT用于電力傳輸和分配系統(tǒng)中，用于高電壓直流輸電（HVDC）系統(tǒng)的換流器和逆變器，提供高效、可靠的電力轉(zhuǎn)換。

電動汽車: IGBT用于電動汽車的電驅(qū)動系統(tǒng)中，控制電池的能量轉(zhuǎn)換和電動汽車的驅(qū)動電機(jī)。

高速鐵路：IGBT用于高速鐵路供電系統(tǒng)中，提供高效、可靠的能量轉(zhuǎn)換和傳輸。

可再生能源：IGBT用于風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器，將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，以便接入電力網(wǎng)絡(luò)。

工業(yè)電力控制系統(tǒng): IGBT用于工業(yè)電力控制系統(tǒng)中，如電壓調(diào)節(jié)器、直流電源、電弧爐控制器等。

消費(fèi)電子產(chǎn)品：IGBT在家電產(chǎn)品中，如冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)等的變頻控制器中發(fā)揮著重要作用，提高能效和控制精度。

值得注意的是，IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，不僅限于以上列舉的幾個領(lǐng)域，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，IGBT在更多領(lǐng)域可能有新的應(yīng)用。

應(yīng)用概述

新能源車是電機(jī)驅(qū)動是通過電機(jī)驅(qū)動器來改變電機(jī)電源的頻率，從而控制交流電機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)能；通過電力變換的核心部件功率器件的開通和關(guān)斷，讓電機(jī)高效，可靠和節(jié)能運(yùn)行。

特點(diǎn)：

1.低導(dǎo)通壓降Vcesat，高短路耐量Tsc；

2.高可靠性，強(qiáng)抗沖擊力；

包含有充電樁、OBC、主驅(qū)、輔驅(qū)、空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動器、PTC加熱器等。

1.2.、應(yīng)用行業(yè)

大家好！今天我要和大家分享的是關(guān)于IGBT（絕緣柵雙極性晶體管）芯片的革命性崛起。這項(xiàng)創(chuàng)新的科技巨擘在現(xiàn)代電力電子領(lǐng)域掀起了一場震撼世界的變革。想象一下，在過去的幾十年中，我們生活的每個角落都離不開能源的驅(qū)動。然而，傳統(tǒng)的功率晶體管卻受限于一些方面不足。幸運(yùn)的是，IGBT芯片的出現(xiàn)徹底改變了這一局面。

IGBT和MOS管都是一種用于電力控制的半導(dǎo)體器件。它們的作用是在電路中調(diào)整或控制電流的流動。

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是一種具有低壓控制和高電流能力的開關(guān)設(shè)備。它結(jié)合了場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和雙極型晶體管（BJT）的優(yōu)點(diǎn)，具有低開通電阻和高開通速度，能夠承受較高的電流和電壓。IGBT主要用于交流電力電子設(shè)備中，如變頻器、電機(jī)驅(qū)動器、逆變器等。

MOS管（金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）是一種基于MOS結(jié)構(gòu)的晶體管。它具有高輸入電阻、低功耗和快速開關(guān)速度等特點(diǎn)，可以用作開關(guān)、放大器、放大器驅(qū)動器等。MOS管可以分為兩類：增強(qiáng)型MOSFET（nMOS）和耗盡型MOSFET（pMOS）。增強(qiáng)型MOSFET需要一個正電壓作為控制信號以切換其導(dǎo)通狀態(tài)，而耗盡型MOSFET需要一個負(fù)電壓作為控制信號。

總的來說，IGBT主要用于高功率電力應(yīng)用，而MOS管則適用于低功率應(yīng)用。IGBT具有較高的電流和電壓能力，可以承受較大的負(fù)載，但開關(guān)速度相對較慢。相比之下，MOS管具有較低的功耗和更快的開關(guān)速度，但電流和電壓能力相對較弱。在電路設(shè)計(jì)中，對于不同的應(yīng)用需求和電路規(guī)模，可以選擇使用不同類型的器件。

“憑啥說我不行?。?！“隨著傳統(tǒng)的功率晶體管（包括MOSFET和BJT）的破門而入，小編打字都開始靜悄悄，我小聲悄悄跟你們說。

雖然它們在很多電子設(shè)備中都有廣泛的應(yīng)用，但在一些特定的應(yīng)用場景中，它們存在一些不足之處：

1、傳統(tǒng)功率晶體管的效率問題。在高壓、高電流的情況下，傳統(tǒng)的功率晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)下會有較高的導(dǎo)通電阻，導(dǎo)致能源被轉(zhuǎn)化為熱量損失。這意味著功率晶體管在工作時會消耗大量的功率，并且需要額外的散熱措施來解決發(fā)熱問題。

2、傳統(tǒng)功率晶體管的速度問題。功率晶體管在開關(guān)過程中存在一定的開啟延遲時間和關(guān)閉延遲時間，限制了其在高頻率開關(guān)應(yīng)用中的性能。

幸運(yùn)的是，IGBT芯片的出現(xiàn)徹底改變了這些局限。IGBT芯片結(jié)合了MOSFET和BJT的優(yōu)點(diǎn)，有效克服了功率晶體管的不足之處：

1、IGBT芯片具有低導(dǎo)通電阻和高電流承載能力的優(yōu)點(diǎn)，可以在高壓、高電流的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)較低的功率損耗。這使得它們在功率轉(zhuǎn)換和電力傳輸?shù)葢?yīng)用中更加高效。

2、IGBT芯片在開關(guān)速度方面表現(xiàn)較為出色。相對于傳統(tǒng)的BJT晶體管，IGBT芯片具有更快的開啟速度和關(guān)閉速度，這使得它們能夠在高頻率開關(guān)電路中表現(xiàn)出更好的性能。

綜上所述，傳統(tǒng)的功率晶體管在效率和速度方面存在一些限制，而IGBT芯片通過結(jié)合MOSFET和BJT的優(yōu)點(diǎn)，解決了這些問題。因此，IGBT芯片被廣泛應(yīng)用于需要高效、高速開關(guān)能力的領(lǐng)域，例如電力傳輸、工業(yè)控制和新能源領(lǐng)域。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

PT-IGBT采用 P 型直拉單晶硅作為襯底，在此之上依次生長N+ buffer，N-base外延，最后在外延層表面形成元胞結(jié)構(gòu)。P 型襯底作為器件的集電區(qū)濃度高且難以減薄，為了減小陽極側(cè)空穴載流子的注入效率，通常會在漂移區(qū)和襯底之間外延生長一層 N+緩沖層，用來阻擋部分空穴注入。在阻斷狀態(tài)下，緩沖層又起到截止漂移區(qū)電場的作用，由于電場穿透漂移區(qū)，故稱此結(jié)構(gòu)為穿通型 IGBT。

性能優(yōu)勢：

1、低導(dǎo)通壓降：

平面柵穿通型IGBT相比傳統(tǒng)功率晶體管具有較低的導(dǎo)通壓降，即在導(dǎo)通狀態(tài)下的電壓降低；這是由于電導(dǎo)調(diào)制的存在，導(dǎo)通時，當(dāng)P+區(qū)注入到N區(qū)的少子濃度很大（大注入）、接近摻雜濃度，則額外積累起來的多子濃度也就與摻雜濃度相當(dāng)了，這時，N區(qū)的電導(dǎo)率實(shí)際上就決定于基區(qū)摻雜濃度和額外增加的多子濃度的總和，從而N區(qū)的有效電導(dǎo)率大大增加了，即降低了N區(qū)的電阻率。

2、高電壓承受能力：

平面柵穿通型IGBT可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)出不同N區(qū)的厚度來達(dá)到所要求的耐壓上限，可以較高的電壓承受能力，適用于高壓應(yīng)用。

3、簡化驅(qū)動電路：

相對于傳統(tǒng)功率晶體管，平面柵穿通型IGBT的驅(qū)動電路更為簡化。它通常只需要一個正向電壓脈沖來開啟，而無需連續(xù)施加電壓，減少了驅(qū)動電路的復(fù)雜性和成本。

存在問題：

1、開關(guān)損耗較大：

相對于傳統(tǒng)功率晶體管，平面柵穿通型IGBT的開關(guān)損耗較大；這是由于其較厚的P+區(qū)，導(dǎo)致關(guān)斷時空穴抽離的路徑較遠(yuǎn)。

2、導(dǎo)通壓降相對較高：

盡管相對于傳統(tǒng)功率晶體管有所改進(jìn)，但平面柵穿通型IGBT仍然存在較高的導(dǎo)通壓降，這取決于正面結(jié)構(gòu)電流路徑的復(fù)雜性及其較厚的P+區(qū)。

3、溫度依賴性：

平面柵穿通型IGBT的性能受溫度影響較大。其導(dǎo)通特性和開關(guān)速度由于復(fù)雜的摻雜濃度層次的交替，高溫下不同層次的表現(xiàn)不同，致使其受溫度影響大，且期間整體的漏電流較高。

4、高電流飽和現(xiàn)象：

在較高電流密度時，平面柵穿通型IGBT可能會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，即電流不再線性響應(yīng)于控制電壓的變化，這是由于平面柵結(jié)構(gòu)的退飽和效應(yīng)，柵極施加一個大于閾值的正壓VGE，則柵極氧化層下方會出現(xiàn)強(qiáng)反型層，形成導(dǎo)電溝道。這時如果給集電極C施加正壓VCE，則發(fā)射極中的電子便會在電場的作用下源源不斷地從發(fā)射極E流向集電極C，而集電極中的空穴則會從集電極C流向發(fā)射極E，這樣電流便形成了。這時電流隨CE電壓的增長而線性增長，器件工作在飽和區(qū)。當(dāng)CE電壓進(jìn)一步增大，IGBT溝道末的電勢隨著VCE而增長，使得柵極和硅表面的電壓差很小，進(jìn)而不能維持硅表面的強(qiáng)反型，這時溝道出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象，電流不再隨CE電壓的增加而成比例增長，即IGBT退出飽和區(qū)。

N 型襯底IGBT——平面柵非穿通型（NPT）IGBT：

IGBT模塊究竟如何工作？

在電控模塊中，IGBT模塊是逆變器的最核心部件，總結(jié)其工作原理：

通過非通即斷的半導(dǎo)體特性，不考慮過渡過程和寄生效應(yīng)，我們將單個IGBT芯片看做一個理想的開關(guān)。我們在模塊內(nèi)部搭建起若干個IGBT芯片單元的并串聯(lián)結(jié)構(gòu)，當(dāng)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。

圖：IGBT逆變原理

圖片來源網(wǎng)絡(luò)，侵刪

IGBT模塊結(jié)構(gòu)和汽車IGBT模塊應(yīng)用

上面提到了IGBT模塊在電驅(qū)系統(tǒng)中的作用，下面我們展開來具體看看IGBT模塊的結(jié)構(gòu)。

4、IGBT模塊實(shí)物長啥樣？

IGBT模塊的標(biāo)準(zhǔn)封裝形式是一個扁平的類長方體，下圖為HP1模塊的正上方視角，最外面白色的都是塑料外殼，底部是導(dǎo)熱散熱的金屬底板（一般是銅材料）?？梢钥吹侥K外面還有非常多的端子和引腳，各自有自己的作用：

1是DC正，2是DC負(fù)；3，4，5是三相交流電的U、V、W接口；6，25，22是集電極的信號端子，7，9，11，13，15，17是門極信號端子；8，10，12，14，16，18是發(fā)射極信號端子；19是DC負(fù)極信號端子；23，24是NTC熱敏電阻端子。

圖：HP1模塊等效電路圖

5、IGBT的基礎(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是怎樣的？

圖：IGBT模塊基礎(chǔ)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖片來源，翠展微

如上圖所示，在IGBT模塊/單管中，一般統(tǒng)稱一單元是IGBT單管，二單元是單個橋臂（半橋），四單元是H橋（單相橋），六單元是三相橋（全橋），七單元一般是六單元+一個制動單元，八單元一般是六單元+制動單元+預(yù)充電單元。

一個單元由1對、2對或3對FRD+IGBT組成。其中1對，可以是1個FRD+1個IGBT，也可以是1個FRD+2個IGBT等。

具體實(shí)物可參照下圖，這是一個6單元的IGBT模塊。

圖：英飛凌Primepack IGBT模塊

圖片來源，"耿博士電力電子技術(shù)"公眾號

IGBT模塊的生產(chǎn)流程？

圖：IGBT 標(biāo)準(zhǔn)封裝結(jié)構(gòu)橫切面

圖片來源，翠展微

如上圖所示，可以看到IGBT模塊橫切面的界面，目前殼封工藝的模塊基本結(jié)構(gòu)都相差不大。IGBT模塊封裝的流程大致如下：

貼片→真空回流焊接→超聲波清洗→X-ray缺陷檢測→引線鍵合→靜態(tài)測試→二次焊接→殼體灌膠與固化→端子成形→功能測試（動態(tài)測試、絕緣測試、反偏測試）

貼片，首先將IGBT wafer上的每一個die貼片到DBC上。DBC是覆銅陶瓷基板，中間是陶瓷，雙面覆銅，DBC類似PCB起到導(dǎo)電和電氣隔離等作用，常用的陶瓷絕緣材料為氧化鋁（Al2O3）和氮化鋁（AlN）；

真空焊接，貼片后通過真空焊接將die與DBC固定，一般焊料是錫片或錫膏；

X-ray空洞檢測，需要檢測在敢接過程中出現(xiàn)的氣泡情況，即空洞，空洞的存在將會嚴(yán)重影響器件的熱阻和散熱效率，以致出現(xiàn)過溫、燒壞、爆炸等問題。一般汽車IGBT模塊要求空洞率低于1%；

接下來是wire bonding工藝，用金屬線將die和DBC鍵合，使用最多的是鋁線，其他常用的包括銅線、銅帶、鋁帶；

中間會有一系列的外觀檢測、靜態(tài)測試，過程中有問題的模塊直接報廢；

重復(fù)以上工序?qū)BC焊接和鍵合到銅底板上，然后是灌膠、封殼、激光打碼等工序；

出廠前會做最后的功能測試，包括電氣性能的動態(tài)測試、絕緣測試、反偏測試等等。

來源：半導(dǎo)體功率生態(tài)圈

審核編輯：湯梓紅