IGBT器件
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-21
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引言
IGBT是綜合MOS管和雙極型晶體管優勢特征的一種半導體復合器件，作為功率半導體分離器件的代表，廣泛應用于新能源汽車、消費電子、工業控制領域，所涉及領域幾乎涵蓋社會的各個方面，市場需求增長空間巨大。近幾年中國IGBT產業在國家政策推動及市場牽引下得到迅速發展，但技術方面與國際大廠仍有較大差距，國際大廠中以英飛凌為代表，技術已發展到微溝槽性IGBT，并達到量產水平。
從1980年至今，IGBT經歷了六代技術的發展演變，過程如圖1所示，分別是第一代平面穿通型（P.PT），第二代改進的平面穿通型（P.PT），第三代平面非穿通型（P.NPT），第四代溝槽非穿通型（Trench.NPT），第五代平面柵軟穿通型（P.SPT）和第六代溝槽柵電場-截止型（FS-Trench）。主要是圍繞以下3種核心技術及與其同步的載流子濃度分布優化技術發展：（1）體結構（又稱襯底）：PT（穿通）→NPT（非穿通）→ FS/SPT/LPT（軟穿通）。（2）柵結構：平面柵→溝槽柵。（3）集電極區結構：透明集電極→內透明集電極結構。
IBGT芯片在結構上是由數萬個元胞（Cell）重復組成，工藝上采用大規模集成電路技術和功率器件技術制造而成。每個元胞（Cell）結構如圖2所示，可將其分為正面MOS結構、體結構和背面集電極區的結構三部分。
體結構的發展
IGBT 的體結構設計技術發展經歷從穿通（PT）-非穿通（NTP）-軟穿通（SPT）的歷程。
（1）穿通結構（Punch Through，PT）特點。
展開 因此，特斯拉對IGBT單管增加了特別的規格分檔（binning）要求，對IGBT制造的后道工序以及供應鏈管理都帶來了不小的挑戰。
其次，IGBT單管的布局和散熱方式有了重大改變。通過雙頭夾具，每個半橋上下橋臂中的IGBT單管背靠背固定在散熱器上，組成類似三明治的結構。與LDU相比，不僅半橋之間組成立體結構，半橋之內上下橋臂也為立體結構，充分利用了空間。現在一些半導體供應商的雙面水冷散熱模塊也是采用類似的散熱設計提高功率密度。
再次，IGBT單管的連接也與以往有了很大不同。SDU不在需要功率板連接IGBT單管，而是采用倒插的方式與驅動板相連。因此不再需要折彎IGBT單管管腳，降低了安裝成本，也避免了可能由此引發各種麻煩（折彎管腳后IGBT可能出現零星失效，很難判斷原因，往往導致IGBT供應商與系統廠商相互指責）。再通過適當調整單管G/D/S三個管腳的長度，使其與驅動板和母線銅排適度相連。因此，IGBT的管腳設計和制造也變得重要起來。
SDU的出現使得特斯拉對IGBT器件有了更嚴格的機械、電學以及可制造性的要求。筆者也有幸作為供應商，與多位特斯拉核心研發人員合作，一同參與了IGBT單管的定制工作，也由此負責了下一代特斯拉定制IGBT器件的開發。此后，特斯拉開始與功率半導體頭部廠商進行更緊密的合作，深度介入核心功率器件的定義與設計，并最終推出了劃時代的第三代動力總成。
展開 IGBT的主要應用領域
作為新型功率半導體器件的主流器件，IGBT已廣泛應用于工業、4C（通信、計算機、消費電子、汽車電子）、航空航天、國防軍工等傳統產業領域，以及軌道交通、新能源、智能電網、新能源汽車等戰略性新興產業領域。
1、新能源汽車
IGBT模塊在電動汽車中發揮著至關重要的作用，是電動汽車及充電樁等設備的核心技術部件。IGBT模塊占電動汽車成本將近10％，占充電樁成本約20％。IGBT主要應用于電動汽車領域中以下幾個方面：
電動控制系統大功率直流／交流（DC／AC）逆變后驅動汽車電機。
車載空調控制系統小功率直流／交流（DC／AC）逆變，使用電流較小的IGBT和FRD。
充電樁智能充電樁中IGBT模塊被作為開關元件使用。
2、智能電網
IGBT廣泛應用于智能電網的發電端、輸電端、變電端及用電端：
從發電端來看，風力發電、光伏發電中的整流器和逆變器都需要使用IGBT模塊。
從輸電端來看，特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術需要大量使用IGBT等功率器件。
從變電端來看，IGBT是電力電子變壓器（PET）的關鍵器件。
從用電端來看，家用白電、微波爐、LED照明驅動等都對IGBT有大量的需求。
3、軌道交通
IGBT器件已成為軌道交通車輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。交流傳動技術是現代軌道交通的核心技術之一，在交流傳動系統中牽引變流器是關鍵部件，而IGBT又是牽引變流器最核心的器件之一。
海外大廠占據主要市場，中國企業追趕空間大
IGBT市場英飛凌市占率全面領先，2020年斯達半導躋身IGBT模塊市場前六。根據Omdia數據，2020年IGBT分立器件市場及IGBT模塊市場規模前三的企業均為英飛凌、富士電機及三菱。
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正文
IGBT 不僅具有 MOSFET 的輸入阻抗髙、驅動電流小、工作速度快的優點，又具備了雙極型功率晶體管的阻斷電壓高、通過電流大等特點， 在電力電子裝置中應用廣泛。IGBT 模塊是電機控制器的核心功率器件，也是損耗最大的器件。在一個 IGBT 模塊中集成了若干個 IGBT 芯片和 FWD（續流二極管）芯片，這些芯片在開通和關斷時由于壓降作用產生損耗。
IGBT 模塊的損耗是電機控制器的主要熱量來源，計算 IGBT 模塊的損耗是計算其結溫及溫度場仿真的基礎和必要條件，因此必須詳細分析 IGBT 模塊的損耗機理，并進行準確的計算。
IGBT 的內部結構示意圖如下圖 a 所示，與 MOSFET 相比，IGBT 就是在MOSFET的漏極下增加了一個 P+區，多了一個 PN 結（JI）。IGBT 的等效電路如下圖 b 所示，實際上它是一個以 MOSFET 為驅動元件，GTR 為主導元件的達林頓電路結構器件。IGBT 的開通和關斷受柵極控制，當 IGBT 的柵極施加正向偏置電壓時，MOSFET 開通，進而使 IGBT 開通；當 IGBT 的柵極施加反向偏置電壓時，IGBT 截止。
展開 模塊技術發展趨勢：
無焊接、 無引線鍵合及無襯板/基板封裝技術；
內部集成溫度傳感器、電流傳感器及驅動電路等功能元件，不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度。
▍IGBT的主要應用領域
作為新型功率半導體器件的主流器件，IGBT已廣泛應用于工業、 4C(通信、計算機、消費電子、汽車電子)、航空航天、國防軍工等傳統產業領域，以及軌道交通、新能源、智能電網、新能源汽車等戰略性新興產業領域。
1）新能源汽車
IGBT模塊在電動汽車中發揮著至關重要的作用，是電動汽車及充電樁等設備的核心技術部件。IGBT模塊占電動汽車成本將近10%，占充電樁成本約20%。IGBT主要應用于電動汽車領域中以下幾個方面：
A）電動控制系統 大功率直流/交流(DC/AC)逆變后驅動汽車電機；B）車載空調控制系統 小功率直流/交流(DC/AC)逆變，使用電流較小的IGBT和FRD；C）充電樁 智能充電樁中IGBT模塊被作為開關元件使用；
2）智能電網
IGBT廣泛應用于智能電網的發電端、輸電端、變電端及用電端：
從發電端來看，風力發電、光伏發電中的整流器和逆變器都需要使用IGBT模塊。
從輸電端來看，特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術需要大量使用IGBT等功率器件。
從變電端來看，IGBT是電力電子變壓器（PET）的關鍵器件。
從用電端來看，家用白電、 微波爐、 LED照明驅動等都對IGBT有大量的需求。
3）軌道交通
IGBT器件已成為軌道交通車輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。
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LED照明中使用的?浮電流驅動IC?（Floating Current Driver IC）是一種專門用于驅動高壓側開關器件（如MOSFET或IGBT）的集成電路，其核心特點是?為高壓側驅動電路提供浮動電源?，以適應開關器件源極電位隨開關狀態快速變化的工況。
浮電流驅動IC?主要應用于?半橋或全橋拓撲結構?中的高壓側驅動。有以下三點關鍵機制：
一、自舉懸浮供電技術?：
利用一個“自舉電容
為了提高高速動車服役環境下功率器件主端子連接結構的服役可靠性，本文通過有限元分析對IGBT器件主端子結構焊層的疲勞可靠性進行研究，并且運用不同的理論預測焊層疲勞壽命并通過功率循環試驗進行了驗證。結果表明，隨著主端子焊層孔洞率的增加，循環周次會降低，但影響并不明顯。隨著主端子焊層厚度逐漸增加，循環周次呈現出先增加后減少的變化規律。
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曾祥浩 | 中車株洲電力機車研究所有限公司 仿真高級工程師
作品名稱：基于多物理場仿真技術的高速動車用功率器件主端子連接結構設計與評價
作品簡介：為了提高高速動車服役環境下功率器件主端子連接結構的服役可靠性，本文通過有限元分析對IGBT器件主端子結構焊層的疲勞可靠性進行研究，并且運用不同的理論預測焊層疲勞壽命并通過功率循環試驗進行了驗證
三、行業分析：新能源浪潮下的增長機遇
當前功率半導體測試設備市場正迎來爆發期：
從需求端看，2025 年全球新能源汽車銷量預計突破 3000 萬輛，帶動 IGBT、SiC 器件需求激增，而每款新器件需完成至少 10 萬次功率循環測試，直接拉動設備采購量；儲能、光伏等領域的快速擴張，進一步推高對高可靠性測試設備的需求，國內市場規模預計年增 15%，2026 年將突破 80 億元。
隸屬于AUTO TECH 展系列的AUTO TECH 2025 廣州國際新能源汽車功率半導體技術展覽會，展品覆蓋車用功率器件IGBT/MOSFET、SiC、GaN、基礎功率器件、材料、封裝測試、生產設備、散熱管理等技術產品，組委會將邀請比亞迪、廣汽埃安、特斯拉、豐田、小鵬、理想、小米、極氪、長城、上汽、本田、日產、大眾、寶馬、蔚來、華為、匯川技術、寧德時代、博世、英飛凌、電裝、瑞薩、安森美、意法半導體等汽車
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Phase11適用于三極管、MOSFET、二極管和IGBT等器件的熱阻測試，操作復雜，測量周期長。T3Ster可以測量常見三極管、常見二極管、MOS管和LED等半導體器件的熱阻。該儀器利用結構函數處理可以分析出熱流路徑上各組成熱阻。接下來我們就重點介紹一下T3Ster熱阻測試儀。
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驅動器主要完成以下三個方面的功能，首先是驅動功能，為IGBT開關提供足夠大的驅動電流，保證IGBT能在其控制下可靠地開通和關斷;其次是驅動器要具有保護功能，當IGBT發生短路或者過流時，驅動器能在較短的時間關斷IGBT，保護功率器件。另外，在高電壓、大功率的應用場合，驅動器作為控制電路與功率電路之間的連接橋梁，必須要具有電氣隔離的功能，保證控制電路不會受功率電路的干擾和影響。
