IGBT器件的案例
IGBT器件結構及其分析
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 從IGBT到SiC，特斯拉汽車功率器件的變遷
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為什么被稱為電力電子行業的“CPU”
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。
展開 一文了解IGBT技術基礎和產業知識
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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電子器件損耗計算連載之---IGBT模塊熱損耗計算
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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 一文了解IGBT技術基礎和產業知識
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。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。
IGBT國內外市場規模
2015年國際IGBT市場規模約為48億美元，預計到2020年市場規模可以達到80億美元，年復合增長率約10%。2014年國內IGBT銷售額是88.7億元，約占全球市場的1∕3。預計2020年中國IGBT市場規模將超200億元，年復合增長率約為15%。
從公司來看，國外研發IGBT器件的公司主要有英飛凌、 ABB、三菱、西門康、東芝、富士等。
展開 IGBT功率器件散熱陶瓷基板用氮化鋁粉體企業推薦
隨著半導體封裝、LED封裝、IGBT模塊等功率器件向高功率、小型化、集成化的方向快速發展，對基板材料的導熱性能提出了更高的要求。氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）、氮化硅（Si3N4）等陶瓷基板具有高導熱、強度高、絕緣性好、化學穩定性好等優點，已經成為解決功率器件散熱的核心材料，如何攻克高端陶瓷原料開發及基板金屬化工藝成為行業發展的重點。
本次“iTherM Conf 2023”特設置“陶瓷基板材料與技術論壇”，以粉體以及基板制備技術、陶瓷基板金屬化工藝、IGBT、新能源功率模塊、LED封裝用陶瓷基板等為話題，分享近年陶瓷基板創新性的粉體材料和金屬化技術成果，探討陶瓷基板領域未來技術發展的關鍵，精彩呈現陶瓷基板在功率器件、高溫器件和三維封裝等領域的技術需求和應用進展，搭建導熱陶瓷基板行業產業鏈交流平臺，匯聚行業力量共同助力領域科技創新發展。
議題設置
議題1：粉體以及基板制備技術
議題2：陶瓷基板金屬化工藝
議題3：IGBT、新能源功率模塊、LED封裝用陶瓷基板
議題4：Si3N4陶瓷基板與金屬化
議題5：陶瓷基板的市場、政策與發展趨勢
如果對活動感興趣，歡迎私信咨詢~
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展開 概述丨車用IGBT器件技術解析
概述丨車用IGBT器件技術解析
車用IGBT器件技術概述（精選版）
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概述丨車用IGBT器件技術解析
概述丨車用IGBT器件技術解析
2025大賽優秀作品 | 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
作者： 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
關鍵詞：高速動車 ，IGBT，多物理場仿真，Ansys
作者說
Ansys人機交互友好，界面簡潔，使用邏輯符合仿真一般流程。同時，Ansys包含多個功能模塊，能夠支持機電熱磁多物理場仿真，功能強大，是仿真融入正向研發，指導故障分析的重要幫手。
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。在功率循環過程中，主端子結構焊層的退化表現為灰色含Sn相的粗化，采用基于能量的Darveaux模型進行分析更加符合功率器件主端子結構焊層的退化過程。故在主端子結構中，影響其服役壽命的主要因素為焊層厚度。
挑戰/需求
IGBT廣泛應用于軌道交通等高可靠性領域，其封裝熱應力引發的失效多發生在連接部位。本文針對高速動車IGBT真實工況，基于Ansys工具，采用多物理場仿真研究主端子連接結構可靠性，重點分析連接層孔洞與厚度的影響，并通過功率循環試驗驗證結果。
使用工具：Ansys Workbench, Ansys Mechanical
最終成果
基于Ansys 軟件，采用子模型與生死單元技術，對IGBT器件在功率循環工況下進行多物理場仿真，并通過相關理論評價關鍵結構可靠性。
展開 
一文讀懂汽車芯片--Si IGBT及車規AEC-Q101認證
功率類芯片介紹
新能源汽車中廣泛應用了功率半導體器件（芯片）。各電力電子裝置，按照功能不同可以劃分為直流/直流變換器、交流/直流充電器、直流/交流逆變器和電動輔助變換器等，如圖所示:
純電/混動汽車內部的電力電子裝置框圖
（1）直流/直流升壓和降壓變換器，如DCDC、BOOST等，用于將高壓電池的直流電降壓為低壓直流電或者將一種高壓電源變換為另一種高壓電源，功率器件主要應用為高壓大電流的Si/SiC MOSFET、IGBT、GaN等。
（2）交流/直流充電機，如OBC（on board charger），將電網的交流電轉換為直流電為電池包充電，功率器件與高壓直流變換器類似，但因為與電網相連接，因此增加了高壓大電流整流二極管的需求。
（3）直流/交流逆變器，如MCU（motor controller unit），將電池的直流電轉換為驅動電機類負載的交流電，應用功率器件如MOSFET、IGBT、GaN等；
（4）電動輔助變換器，如方向盤助力、車窗升降、雨刷、水泵、油泵、電動座椅等部件，同樣需要用到功率器件，因此所用的MOSFET、Diode等器件多為小功率離散器件，也有應用一些IPM模塊封裝。
2.Si IGBT
針對新能源汽車應用的特殊要求，要求IGBT器件具有低損耗、高集成度、高可靠性及低成本的特點。
IGBT功率模塊大多數采用“六合一”三相全橋電路，每個半橋單元一般采用2-4片IGBT芯片并聯來提升模塊電流輸出能力，并且會并聯快恢復二極管芯片以提供電流的續流回路。目前IGBT芯片已經發展到第七代，主要體現在芯片的正面和背面結構和采用的工藝技術方面的迭代演進。正面結構已完成了從平面柵到溝槽柵的轉變，使用溝槽柵結構可以降低JFET電阻分量，提升電流密度。以英飛凌為例，從其第三代IGBT芯片開始，就已全面采用溝槽柵結構。
展開 專門用于驅動高壓側開關器件（如MOSFET或IGBT）的LED照明驅動IC-WD10-3111
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”和二極管，在低壓側開關導通時對自舉電容充電；當高壓側開關需要導通時，該電容提供相對于高壓側源極的浮動電壓，從而可靠驅動高壓側MOSFET的柵極?。
二、浮動參考電平?：
高壓側開關管的源極電位在輸入電壓與地之間周期性波動，因此柵極驅動電壓必須“跟隨”源極電位變化，即采用?浮動電源?而非固定地參考電源?。
三、電流控制與反饋?：
部分浮電流驅動IC還集成?恒流控制功能?，通過采樣電阻檢測LED電流，并利用誤差放大器和PWM/PFM調節機制，維持輸出電流恒定，即使輸入電壓或LED正向壓降發生波動?。
工采電子代理的LED驅動芯片 - WD10-3111是一款高壓浮動電流驅動器IC，用于調節流過LED串的電流。WD10-3111可以配置各種LED驅動拓撲，如系列、并行或混合類型。WD10-3111可作為壓控電流源和電流調節器工作。PCB的布局也非常靈活，以滿足各種形狀的要求。特別適用于替代白熾燈和線性型熒光燈。
展開 干貨 | 深度剖析IGBT的結構與工作原理
正式商用的高壓大電流IGBT器件至今尚未出現，其電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技術發展的需求，特別是在高壓領域的許多應用中，要求器件的電壓等級達到10KV以上。目前只能通過IGBT高壓串聯等技術來實現高壓應用。
國外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產的6500V/600A高壓大功率 IGBT器件已經獲得實際應用，日本東芝也已涉足該領域。與此同時，各大半導體生產廠商不斷開發IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術， 主要采用1um以下制作工藝，研制開發取得一些新進展。
IGBT的工作原理
N溝型的IGBT工作是通過柵極 — 發射極間加閥值電壓VTH以上的（正）電壓，在柵極電極正下方的p層上形成反型層（溝道），開始從發射極電極下的n-層注入電子。該電子為p+n-p晶體管的少數載流子，從集電極襯底p+層開始流入空穴，進行電導率調制（雙極工作），所以可以降低集電極 — 發射極間飽和電壓。
在發射極電極側形成n+pn — 寄生晶體管。若n+pn — 寄生晶體管工作，又變成 p+n — pn+晶閘管。電流繼續流動，直到輸出側停止供給電流。通過輸出信號已不能進行控制。一般將這種狀態稱為閉鎖狀態。
為了抑制n+pn — 寄生晶體管的工作IGBT采用盡量縮小p+n-p晶體管的電流放大系數α作為解決閉鎖的措施。具體地來說，p+n-p的電流放大系數α設計為0.5以下。
展開 深度剖析：IGBT的結構與工作原理
正式商用的高壓大電流IGBT器件至今尚未出現，其電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技術發展的需求，特別是在高壓領域的許多應用中，要求器件的電壓等級達到10KV以上。目前只能通過IGBT高壓串聯等技術來實現高壓應用。
國外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產的6500V/600A高壓大功率 IGBT器件已經獲得實際應用，日本東芝也已涉足該領域。與此同時，各大半導體生產廠商不斷開發IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術， 主要采用1um以下制作工藝，研制開發取得一些新進展。
IGBT的工作原理
N溝型的IGBT工作是通過柵極 — 發射極間加閥值電壓VTH以上的（正）電壓，在柵極電極正下方的p層上形成反型層（溝道），開始從發射極電極下的n-層注入電子。該電子為p+n-p晶體管的少數載流子，從集電極襯底p+層開始流入空穴，進行電導率調制（雙極工作），所以可以降低集電極 — 發射極間飽和電壓。
在發射極電極側形成n+pn — 寄生晶體管。若n+pn — 寄生晶體管工作，又變成 p+n — pn+晶閘管。電流繼續流動，直到輸出側停止供給電流。通過輸出信號已不能進行控制。一般將這種狀態稱為閉鎖狀態。
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