IGBT模塊的案例
新能源汽車核心部件IGBT模塊想要過AECQ101認證，需要要做哪些測試？
弗迪動力
3、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，總結其工作原理：
通過非通即斷的半導體特性，不考慮過渡過程和寄生效應，我們將單個IGBT芯片看做一個理想的開關。我們在模塊內部搭建起若干個IGBT芯片單元的并串聯結構，當直流電通過模塊時，通過不同開關組合的快速開斷，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。
IGBT模塊結構和汽車IGBT模塊應用
上面提到了IGBT模塊在電驅系統中的作用，下面我們展開來具體看看IGBT模塊的結構。
4、IGBT模塊實物長啥樣？
IGBT模塊的標準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，底部是導熱散熱的金屬底板（一般是銅材料）。可以看到模塊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；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****極信號端子；19是DC負極信號端子；23，24是NTC熱敏電阻端子。
圖：HP1模塊等效電路圖
圖：HP1模塊等效電路圖
5、IGBT的基礎拓撲結構是怎樣的？
圖：IGBT模塊基礎電路拓撲結構
如上圖所示，在IGBT模塊/單管中，一般統稱一單元是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
6、IGBT模塊的生產流程？
展開 新能源汽車核心部件—從零了解電控IGBT模塊
翠展微電子，翠展集團是車規級IGBT模塊設計生產供應商，成立于2018年, 公司總部及生產基地位于浙江省嘉興市，同時在上海、蘇州、合肥、天津、重慶、深圳設立子（分）公司，集團擁有超過100名員工。公司是國內為數不多的汽車電控IGBT模塊量產供應商，位于嘉善的IGBT模塊產線已經通過 IATF 16949 質量認證體系認證，公司產品的性能和生產良率處于國內領先水平，并已經批量給多個汽車客戶供應自主IGBT模塊。公司主要產品及服務包括：汽車主電控IGBT模塊、定制一體化IGBT模塊、SIC模塊，工業IGBT模塊，PIR芯片、TO247單管，汽車底層軟件服務、電機控制方案、軟件開發工具鏈等。
文章來源：旺材電機與電控
展開 干貨 | 汽車級IGBT模塊特別在哪里？
下表列出了電動汽車的電機控制器和IGBT模塊的基本要求：
相對于工業IGBT模塊，電動汽車對于驅動系統的功率密度、驅動效率等具有更高的要求，也存在著相應的難點：
①車輛運行時，特別實在擁堵的路況時的頻繁啟停，此時控制器的IGBT模塊工作電流會相應的頻繁升降，從而導致IGBT的結溫快速變化，對于IGBT模塊的壽命是個很大的考驗；
②采用永磁同步電機的電動汽車啟動、駐車時，電機工作在近似堵轉工況，此時的IGBT模塊持續承受著大電流，從而會造成模塊的局部過熱，這對散熱系統的設計帶來了挑戰，所以汽車一般都是水冷(單面或者雙面)。
③由于車況的不確定性，汽車級IGBT模塊在車輛行駛中會受到較大的震動和沖擊，這對于IGBT模塊的各引線端子的機械強度提出了較高的要求；
④車體的大小限制，對于控制器的大小以及IGBT模塊的功率密度提出了更高的要求。
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電動汽車IGBT芯片和模塊的現狀研究
IGBT芯片技術
針對上面的對汽車級模塊的特殊要求，IGBT芯片正朝著小型化、低功耗、耐高溫、更高安全性以及智能化的方向發展。
展開 電子器件損耗計算連載之---IGBT模塊熱損耗計算
IGBT 內部結構、等效電路
在 IGBT 模塊中，通常會在 IGBT 兩端反向并聯一個二極管，稱為 FWD（續流二極管）。它的作用是在電路中電壓或電流出現突變時，對電路中其它元件起保護作用，避免激起高壓損壞 IGBT。本文所用 IGBT 模塊采用三相橋電路，三相橋模塊的內部等效電路如圖 a 所示，圖 b 為 IGBT 的電氣符號。
IGBT 模塊三相橋等效電路與 IGBT 電氣符號
由 IGBT 模塊三相橋等效電路可知，每個 IGBT 模塊都包括 U、V、W 三相，且 U、V、W 的每一相都由上下兩個半橋臂組成。IGBT 模塊中的 IGBT 單元和 FWD單元主要工作在開關狀態，在每個開關狀態中，都會產生動態損耗和靜態損耗，IGBT 模塊的損耗組成如下圖所示。
IGBT 模塊損耗組成
IGBT 單元損耗計算
IGBT 芯片的功率損耗主要來自于兩個方面：一是，在飽和開通狀態下通態電阻產生的損耗；二是，在開關過程中電流電壓不同步引起的功耗。
（1）IGBT 通態損耗計算
通態損耗的產生是由于 IGBT 在導通過程存在飽和壓降而產生的損耗，與導通壓降、結溫、電流、占空比有關。IGBT 在一個正弦周期內的平均通態損耗計算公式如下：
式中，Pcond（IGBT）為 IGBT 的通態損耗；uCE（t）為 IGBT 的導通壓降；i（t）為負載電流；τ（t）為 IGBT 的導通時間函數；T為調制周期。
IGBT 在導通時的負載電流函數與壓降函數可表示為：
式中，Tj 為結溫；UCE0（Tj）為閾值電壓；r（Tj）為通態斜率電阻。
展開 
智芯文庫 | IGBT模塊結構及老化簡介
，顯著增加散熱效率，提升模塊的功率密度
02 電流路徑
剛開始接觸IGBT模塊的人，打開IGBT或許會有點迷惑，這里簡單普及一下
對于模塊，為了提升通流能力，一般會采用多芯片并聯的方式
03 散熱路徑
單面散熱模塊散熱路徑如下圖所示，芯片為發熱源，通過DBC、銅底板傳導至散熱器
散熱路徑的熱阻越低越好，除了DBC采用熱導率更高的高導熱陶瓷材料之外，IGBT模塊制造商在焊接工藝上下了不少功夫
目前最成熟的焊接工藝采用的焊料是錫，為了滿足高性能場合的應用，部分產品芯片與DBC的焊接部分采用銀燒結技術，增強散熱路徑的導熱性和可靠性
對于單管方案，單管與散熱底板的燒結逐漸成為趨勢
典型案例：
單管功率模組的散熱原理與模塊類似
展開 技術 | IGBT模塊結構及老化簡介
模塊常用的DBC散熱陶瓷材料是氧化鋁，應用最為成熟，為了繼續提升模塊的散熱性能，部分模塊廠商在高性能產品上采用氮化鋁或氮化硅陶瓷基板，顯著增加散熱效率，提升模塊的功率密度
02 電流路徑
剛開始接觸IGBT模塊的人，打開IGBT或許會有點迷惑，這里簡單普及一下
對于模塊，為了提升通流能力，一般會采用多芯片并聯的方式
03 散熱路徑
單面散熱模塊散熱路徑如下圖所示，芯片為發熱源，通過DBC、銅底板傳導至散熱器
散熱路徑的熱阻越低越好，除了DBC采用熱導率更高的高導熱陶瓷材料之外，IGBT模塊制造商在焊接工藝上下了不少功夫
目前最成熟的焊接工藝采用的焊料是錫，為了滿足高性能場合的應用，部分產品芯片與DBC的焊接部分采用銀燒結技術，增強散熱路徑的導熱性和可靠性
對于單管方案，單管與散熱底板的燒結逐漸成為趨勢
典型案例：
展開 2025大賽優秀作品 | 逆變器系統IGBT模塊連接可靠性仿真優化及AI技術應用探索
作品名稱：逆變器系統IGBT模塊連接可靠性仿真優化及AI技術應用探索
作者：陽光電源股份有限公司 中央研究院 | 武文杰/時曉蕾/關鵬
關鍵詞：熱固耦合，參數化建模，響應面優化，ROM降階
作者說
Ansys強大的多物理場耦合分析能力，以及和主流建模工具的無縫集成，為工程問題提供了堅實理論支撐與高效求解路徑，將傳統經驗試錯模式升級為仿真正向驅動設計，助力企業大幅縮短研發周期；optiSLang的ROM降階技術，使得不具備編程基礎的仿真工程師也能低成本借助AI工具進行仿真提效，大幅降低了智能分析的技術門檻，真正實現了工程效率與專業精度的平衡。
基于PCB板+IGBT模塊+散熱器總成精細化熱-固耦合仿真模型，精準復現整機由于各層結構CTE不同導致的“呼吸效應”熱變形
首先通過構建PCB板+IGBT模塊+散熱器熱-固耦合模型，精準復現因CTE差異導致的“呼吸效應”熱變形，定位溫度循環動載荷致Pin針焊層疲勞失效的原因；通過Creo參數化建模并與Ansys Workbench聯合，結合響應面優化Pin針結構參數，尋優時間縮至24h內，優化方案相比于傳統結構最高改善幅度達76%；最后利用optiSLang建立ROM降階模型，實現Pin針拉力毫秒級預測，準確度超99.9%。
挑戰/需求
基于遺傳算法，利用響應面優化方法對Pin針結構參數進行優化，尋優時間縮短至24h以內，優化方案相比于傳統結構最高改善幅度達76%
PIN針作為連接IGBT模塊與PCB板的電流導通關鍵部件，其在溫度循環工況下的結構可靠性直接決定光伏逆變器的性能安全與運行穩定性。
展開 淺析IGBT模塊水冷結構對控制器結構設計的影響
平面封裝間接水冷IGBT模塊
對于平板封裝的引線鍵合、平面封裝的IGBT模塊，我們需要設計專門的冷卻水道，模塊與冷卻水道分別處于殼體的內外腔體，依靠鋁殼體的傳導進行散熱。IGBT模塊平面與殼體之間需要涂抹導熱硅脂，用來降低傳導熱阻。水道設計既要保證水路通順，降低水阻，同時也希望水流相互攪拌，呈現一種湍流的狀態，使得水路中的水流換熱均勻，能盡可能帶走更多的熱量，提高換熱效率。Pin-Fin結構就是湍流換熱的典型代表結構。
電子設備熱設計- 電子設備的組合傳熱模式
如下圖所示，不對稱結構雙面散熱IGBT功率模塊的三維模型和單面散熱IGBT功率模塊的三維模型。
利用ANSYS有限元軟件和傳熱理論對不同結構的IGBT功率模塊進行了仿真分析，IGBT模塊在穩態下運行的溫度場分布如下圖所示。
總體而言，IGBT模塊的內部溫度分布不均勻，因為IGBT模塊中材料的熱導率不同，并且受到熱耦合的影響，尤其是在芯片區域。因此，我們應該合理設計模塊芯片的整體布局，以減少熱耦合對IGBT模塊的影響。FRD芯片的溫度明顯低于IGBT芯片的溫度，這證明當外部條件一致時，芯片的溫度隨著功率的增加而增加。
IGBT模塊DBC基板的溫度分布如下圖所示。
對稱雙面散熱IGBT模塊DBC基板的溫度分布
不對稱雙面散熱IGBT模塊DBC襯底的溫度分布
單面散熱IGBT模塊DBC襯底的溫度分布
對于具有雙面散熱結構的IGBT功率模塊，芯片是中心，芯片的大部分熱量通過焊料層、MoCu層和兩個DBC襯底縱向導熱；熱量的一小部分是橫向傳導的。與對稱結構IGBT模塊的DBC襯底相比，非對稱結構IGBT組件的DBC基板的溫度略低。
綜上所述，對于中小功率IGBT模塊，在單面散熱滿足其導熱性、可靠性和穩定性的前提下，選擇單面散熱結構。對于大功率IGBT模塊，單面散熱結構無法滿足IGBT模塊在相同工作條件下的要求。在這種情況下，IGBT模塊需要選擇雙面散熱結構。推薦采用不對稱結構的雙面散熱IGBT模塊。
文章來源CAE工程師筆記
展開 IGBT為什么被稱為電力電子行業的“CPU”
IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），又稱為絕緣閘極雙極性電晶體。
IGBT歸類在功率半導體元件的電晶體領域。
功率半導體元件（電晶體領域）除了IGBT之外，還有MOSFET、BIPOLAR等，這些都能用來作為半導體開關。
IGBT是一種適合高電壓、大電流應用的理想晶體管。IGBT的額定電壓范圍為400V至2000V，額定電流范圍為5A至1000A，IGBT廣泛用于工業應用（例如，逆變器系統和不間斷電源（UPS））、消費類應用（例如，空調和電磁爐），以及車載應用（例如，電動汽車（EV）電機控制器）。
IGBT大約占電機驅動系統成本的一半，占到整車成本的5％，是整部電動車成本第二高的元件（成本第一高的是電池）。毫不夸張地說，這就是電動車領域的“核心技術”。
從結構上講，IGBT主要有三個發展方向：
1、IGBT縱向結構：非透明集電區NPT型、帶緩沖層的PT型、透明集電區NPT型和FS電場截止型；
2、IGBT柵極結構：平面柵機構、Trench溝槽型結構；
3、硅片加工工藝：外延生長技術、區熔硅單晶；
按照封裝工藝來看，IGBT模塊主要可分為焊接式與壓接式兩類。高壓IGBT模塊一般以標準焊接式封裝為主，中低壓IGBT模塊則出現了很多新技術，如燒結取代焊接，壓力接觸取代引線鍵合的壓接式封裝工藝。
隨著IGBT芯片技術的不斷發展，芯片的最高工作結溫與功率密度不斷提高，IGBT模塊技術也要與之相適應。未來IGBT模塊技術將圍繞“芯片背面焊接固定”與“正面電極互連”兩方面改進。
展開 考慮焊料空洞損傷的IGBT雙向熱網絡模型
IGBT模塊的封裝級失效類型主要有鍵合線失效和焊料層失效，而焊料層失效主要是由于焊料層中出現空洞和裂紋損傷所致。在模塊封裝過程中，當空氣中的氣泡嵌入環氧材料就會在焊料層產生空洞。盡管新的焊料工藝可以有效地限制焊料層空洞產生，但不能完全消除它 。在IGBT模塊工作中，焊料層承受熱應力也會產生空洞損傷。
Bladimir等人研究了焊料層中實際空洞率與導熱系數關系，并將空洞對焊料層溫度產生的影響進行評估。陳民鈾等人提出了計及焊料層疲勞的IGBT模塊壽命評估， 研究高頻下芯片焊料層與DBC焊料層分別出現老化時對結溫的影響。文獻通過有限元仿真，研究去除硅膠和外殼的IGBT模塊在出現空洞損傷時芯片結溫分布，并建立了考慮空洞損傷的Cauer模型。焊料層損傷會減小熱流路徑，使更多熱流集中在空洞附近，降低IGBT模塊的散熱性能，導致結溫升高，進而加快模塊的老化過程。故研究焊料層空洞對IGBT芯片溫度分布的影響，以及準確監測老化后IGBT模塊的結溫具有重要意義。然而，熱量在模塊內部傳遞時受其物理結構的影響，硅膠和外殼是模塊的重要組成部分，會對熱流傳遞產生影響。很多研究成果僅僅專注于芯片及其下層結構對熱流傳遞的影響，導致熱仿真模型和熱網絡模型與實際模塊結構不相符，然而考慮硅膠和外殼的模型更為真實。因此，本文研究當焊料層出現空洞損傷時，硅膠和外殼對IGBT芯片溫度的影響。
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。
展開 基于單脈沖試驗的IGBT模型的電壓應力測試分析
因此對英飛凌IGBT來講，逐波限流時電壓應力同正常工作時差異不大。也就是說，通過減小逐波限流電流的方法減小電壓應力，效果不明顯。
圖7 不同電流下英飛凌IGBT電壓應力對比
英飛凌IGBT模塊T3關斷典型波形如圖8。測試條件為：母線電壓300V，驅動電阻10Ω，關斷電流約370A，結溫約25℃，外圍緩沖電路為方案2。因英飛凌IGBT模塊寄生電感較大，因此關斷電壓尖而高。英飛凌模塊在驅動電阻較小時比較敏感，當驅動電阻增加到一定程度，電壓應力下降變緩慢。
圖8 英飛凌IGBT模塊T3關斷典型波形
電壓應力解決方案
從實驗結果來看，解決鉗位IGBT應力過高問題主要有以下兩種思路。
1）增大驅動關斷電阻；英飛凌和西門康IGBT需要增大關斷電阻到33Ω才能將電壓過沖控制到150V以內；富士鉗位IGBT耐壓600V，需要將電壓過沖控制在100V以內，即使將驅動電阻增加到100Ω也無法滿足降額要求。
2）采用有源鉗位驅動，關斷電壓應力過高時，通過CG極之間的TVS反饋，降低關斷就電壓應力。經分析，以上兩種方案都存在一些弊端。
對方案1）增大驅動電阻，存在如下幾個弊端。
A. 驅動電阻加大導致驅動延時增加，西門康模塊采用33Ω驅動電阻時，驅動關斷延時高達2.8μs，17Ω也有約2μs，預計死區時間必須達到4～5μs才能滿足要求。
B. 限制橋臂IGBT開通速度。橋臂IGBT開通太快時，鉗位IGBT的CE之間電壓上升速率太快，通過CG之間的密勒電容形成位移電流，抬高鉗位IGBT的G極電壓，導致漏電流加大。
展開 一文了解IGBT技術基礎和產業知識
高壓IGBT模塊一般以標準焊接式封裝為主，中低壓IGBT模塊則出現了很多新技術，如燒結取代焊接，壓力接觸取代引線鍵合的壓接式封裝工藝。
隨著IGBT芯片技術的不斷發展，芯片的最高工作結溫與功率密度不斷提高， IGBT模塊技術也要與之相適應。未來IGBT模塊技術將圍繞芯片背面焊接固定與正面電極互連 兩方面改進。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%。
展開 增程式電機控制器高效熱分析與研究
控制器IGBT模塊仿真工況為峰值工況，圖6為IGBT內部芯片溫度分布。由此可知，IGBT內部芯片最高溫度97.1℃，NTC探測面溫度為81.3℃，模塊長期使用溫度不超過150℃，可滿足長期使用需求。
3控制器溫升臺架測試
為了進一步研究本文的增程式電機控制器的IGBT模塊和薄膜電容的溫升，制作了增程式電機控制器樣機，并搭建實驗臺架，對其進行溫升測試，臺架測試環境如圖7所示。樣機負載電機為永磁同步電機，額定功率40kW，峰值功率60kW，對應額定扭矩109N·m，峰值扭矩163N·m。控制器入水口溫度調為65℃，冷卻液流量8L/min，環境艙溫度設為105℃，IGBT模塊開關頻率為10kHz。
峰值工況下，電機處于3500r/min，163N·m的發電工況下運行30s，可以得到IGBT模塊的溫度隨時間的變化曲線，如圖8所示。由圖8可以得出，模塊NTC處溫度穩定在80.6℃，相比仿真結果的81.3℃，略低0.7℃。據此推測，模塊芯片處實際溫度比仿真結果97.1℃高0.7℃，約為98℃左右，最高不超過110℃，遠小于IGBT模塊許用溫度150℃，可見，所開發的散熱器對功率模塊也具有較好的散熱效果，完全滿足控制器長期運行工作需求。
為方便測量電容內部芯子和銅排的溫度，在電容內埋設有3只熱電偶，熱電偶的埋設位置如圖9所示。隨后測試額定工況下電容的溫升，測試時間為60min，可以得到薄膜電容的溫升曲線，如圖10所示。
由圖10中可以得出，薄膜電容的溫度在運行20min后趨于穩定，穩定后實測3只熱電偶處的溫度均不超過75℃。
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