IGBT設(shè)計的案例
下午直播 | IGBT仿真及封裝設(shè)計
針對國內(nèi)外變流器企業(yè)IGBT應(yīng)用及封裝設(shè)計的技術(shù)需求，Ansys解決方案以Workbench為電磁、熱、結(jié)構(gòu)、流體多物理場耦合設(shè)計平臺，以Simplorer為器件特征化建模、開關(guān)特性測試、變流電路設(shè)計及傳導(dǎo)干擾分析平臺，通過單/雙向的多物理場耦合技術(shù)和魯棒性設(shè)計，器件與系統(tǒng)的降價模型和協(xié)同仿真接口，高效解決IGBT封裝設(shè)計所面臨的、多物理場耦合設(shè)計和高精度器件與電路、系統(tǒng)設(shè)計問題。
淺析IGBT模塊水冷結(jié)構(gòu)對控制器結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計專門的冷卻水道，模塊與冷卻水道分別處于殼體的內(nèi)外腔體，依靠鋁殼體的傳導(dǎo)進行散熱。IGBT模塊平面與殼體之間需要涂抹導(dǎo)熱硅脂，用來降低傳導(dǎo)熱阻。水道設(shè)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(xiàn)一種湍流的狀態(tài)，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(jié)構(gòu)就是湍流換熱的典型代表結(jié)構(gòu)。
【干貨】IGBT的設(shè)計及仿真驗證
（以上資料收集整理自EETOP論壇的網(wǎng)友分享）
IGBT用3D復(fù)合熱管散熱器的數(shù)值模擬與實驗驗證
為了使IGBT模塊正常工作，需要進行散熱設(shè)計，使其工作溫度控制在可容許最大結(jié)溫（Tjmax）以下。因為溫度如果超過這個允許值，IGBT模塊性能將會明顯下降，并不能穩(wěn)定工作，從而影響IGBT模塊運行的可靠性。如果熱設(shè)計不合理，將會導(dǎo)致IGBT故障，甚至燒毀。因此，如何為IGBT設(shè)計性能可靠、使用靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱高效、不用維修的散熱器，成為電力電子設(shè)備冷卻領(lǐng)域的熱門研究課題。[1]
傳統(tǒng)的單相流體的對流換熱方式只能適用于熱流密度不大的電力電子設(shè)備。因此必須設(shè)計開發(fā)新的散熱手段以滿足IGBT高熱流密度散熱的要求。熱管散熱器是結(jié)合先進的熱管技術(shù)及環(huán)肋散熱技術(shù)，與傳統(tǒng)散熱器相比又稱為相變散熱器，適合高熱流密度情況下的散熱，可滿足IGBT對散熱器緊湊、可靠、靈活、高效散熱、不要維修等要求。[2]
2 熱管結(jié)構(gòu)及工作原理
熱管的基本工作原理如圖1所示，典型的熱管有管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3X(10-1~10-4)Pa的負(fù)壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。其工作機理是工質(zhì)液體與吸液芯之間產(chǎn)生的表面張力必須大到能克服管內(nèi)壓降，并維持工質(zhì)液體循環(huán)。當(dāng)熱管的一蒸發(fā)段受熱時毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向冷凝段放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)工作。[3]
圖1 熱管原理示意圖
3D復(fù)合相變熱管散熱器，如下圖2所示，基板與復(fù)合超導(dǎo)平板熱管（FHP）組成3D連通的相變傳熱體系，相變基板受熱時，工質(zhì)吸收熱量，相變?yōu)檎羝羝卣羝ǖ缹崃總鬟f至每片熱管（FHP）管道，并將熱量傳遞至遠(yuǎn)端，F(xiàn)HP散熱翅片進行熱量交換，釋放熱量，工質(zhì)冷凝回流至相變基板區(qū)，從而形成熱量交換循環(huán)。
展開 
IGBT自主研發(fā) 比亞迪打破國外企業(yè)壟斷
在前不久比亞迪秦Pro產(chǎn)發(fā)布會上，最引人關(guān)注的就是標(biāo)志著汽車走向開放時代，針對開發(fā)者設(shè)計了車型，建立了更開放的汽車生態(tài)圈。不過還有一個細(xì)節(jié)引起業(yè)內(nèi)注意，這就是首次展示了BYD自主研發(fā)的IGBT，這一技術(shù)也許很多人沒聽說過，但對于電動車型來說至關(guān)重要。
電機驅(qū)動部分最核心的元件就是IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片），它能夠占到電機驅(qū)動系統(tǒng)成本的一半，電機驅(qū)動又占據(jù)車型成本的15%左右，因此IGBT是電動車當(dāng)中成本第二高的元件。
汽車IGBT技術(shù)長期被國外企業(yè)壟斷，比亞迪首次外宣布采用自主研發(fā)IGBT功率器件，意味著在這項關(guān)鍵技術(shù)和元件上面，比亞迪擁有了自主可控的能力，不再受制于人，在未來新能源全面替換傳統(tǒng)燃油汽車過渡期以至于電動車時代占據(jù)主動。
實際上，據(jù)比亞迪介紹，在之前公布的秦、唐等車型上，已經(jīng)采用自主研發(fā)IGBT模塊，但并未對外宣傳。
目前，比亞迪現(xiàn)已擁有國內(nèi)首個汽車IGBT打造鏈條，包括IGBT芯片設(shè)計、晶圓制造、模塊封裝等部分，還有與仿真測試以及整車測試。目前在該品牌車型當(dāng)中已經(jīng)安裝了60萬，具備一定規(guī)模。這一核心技術(shù)的自主開發(fā)和規(guī)模化應(yīng)用讓他們擁有了一項電動車核心競爭力。
展開 SiC和硅基IGBT的效率相差了多少？
我們首先來說IGBT，其實在電動汽車領(lǐng)域特別要感謝英飛凌，在歐洲汽車企業(yè)沒進來之前，日產(chǎn)、本田和豐田都是圍繞自己的技術(shù)開發(fā)逆變器，而且把IGBT的冷卻和迭代技術(shù)作為核心；特斯拉在導(dǎo)入SIC以前，也是使用單管IGBT來做大功率驅(qū)動，在英飛凌做了標(biāo)準(zhǔn)封裝6in1的IGBT以后，極大降低了逆變器的開發(fā)難度。
▲圖1.IGBT的幾種用法
在面向大功率的逆變器設(shè)計中，特斯拉的工程師采用了分立式單管并聯(lián)、內(nèi)置單管散熱和冷卻技術(shù)和功率疊層母排技術(shù)，使得這玩意功率提高了，但是組裝工藝相當(dāng)復(fù)雜。
▲圖2.特斯拉單管IGBT的設(shè)計
所以在迭代中，特斯拉是第一個在400V的產(chǎn)品里直接迭代成了SiC。按照Cree給出來的數(shù)據(jù)參考，如下圖所示：
功率密度和效率：
▲圖3.如果把SiC和IGBT按功率和電流密度來比較
當(dāng)然從逆變器本身的效能來看，主要根據(jù)參數(shù)規(guī)格來對標(biāo)：
▲表1.電機、逆變器和整車參數(shù)的對比
也就是說400VSiC帶來的效能，后續(xù)很多的車輛才趕上，類似Lucid Air這種車也能實現(xiàn)較高的Mile/kWh。
▲圖4.整車的能效按照時間概覽
下圖是動態(tài)特性，在跑UDDS和HWFET兩種不同工況的狀態(tài)下，逆變器效率的對比，從這里看還是有一個動態(tài)的差異，從4%-7%的差別。
備注：這個數(shù)據(jù)是FEV來做的，使用了抽象化的數(shù)據(jù)來進行對比。
▲圖5.SiC和硅基IGBT的效率差異
也就是說，在仿真層面和實際測試是能對照，確實存在很大的效率差異。
展開 一文了解2020年中國新能源汽車IGBT行業(yè)市場現(xiàn)狀、競爭格局及發(fā)展趨勢
其中，IGBT占驅(qū)動系統(tǒng)一半左右，即IGBT占電動車約8-10%成本。此外，IGBT占到充電樁成本的20%。在新能源汽車取代燃油汽車的趨勢下，IGBT作為其核心零部件，需求量也將得到提升。
3、中國新能源汽車IGBT市場規(guī)模上升，國產(chǎn)化趨勢明顯
高工產(chǎn)研電動車研究所數(shù)據(jù)(GGII)顯示，2019年我國新能源汽車IGBT市場規(guī)模達到155億元，同比增長6.40%，增速為近年的新低。GGII預(yù)計，隨著市場的逐步回調(diào)，到2020年，我國新能源汽車和充電樁市場將帶動近兩百億IGBT模塊的需求。
由于IGBT對設(shè)計及工藝要求較高，而國內(nèi)缺乏IGBT相關(guān)技術(shù)人才、工藝基礎(chǔ)薄弱且企業(yè)產(chǎn)業(yè)化起步較晚，因此IGBT市場長期被大型國外跨國企業(yè)壟斷。在國家利好政策的推動下，中國IGBT行業(yè)取得了一定的技術(shù)進步，推動了中國IGBT國產(chǎn)化進程。
從市場占有率情況來看，中國功率半導(dǎo)體市場規(guī)模占世界市場的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場上，90%主要依賴進口，基本被國外歐美、日本企業(yè)壟斷。
在國內(nèi)新能源汽車IGBT模塊市場中，英飛凌公司中是絕對的龍頭老大，市場占比58.2%，相比2016年33%的市場占比，其市場地位有了進一步的鞏固。比亞迪微電子則在多年的技術(shù)積累中，逐漸成長為中國IGBT市場份額第二大企業(yè)。中車時代電氣則以軌交IGBT為市場切入點，不斷拓展業(yè)務(wù)至電動汽車及智能電網(wǎng)市場，2019年市場份額逐漸攀升至0.8%。
來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院
展開 功率半導(dǎo)體IGBT失效分析與可靠性研究
4 整改總結(jié)及意義
本文結(jié)合大量失效品分析與電路設(shè)計分析，對IGBT失效原因及失效機理分析的結(jié)果表明：經(jīng)過對IGBT失效分析及IGBT工作電路失效分析及整機相關(guān)波形檢測、熱設(shè)計分析、IGBT極限參數(shù)檢測對比發(fā)現(xiàn)IGBT失效由多種原因?qū)е拢?em>IGBT在器件選型、器件可靠性、閂鎖效應(yīng)、驅(qū)動控制、ESD能力等方面存在不足，逐一分析論證后，從IGBT本身及電路設(shè)計方面提升IGBT工作可靠性。
參考文獻
[1] 王瑞.大功率IGBT柵極驅(qū)動電路的研究[J].電氣自動化,2014(3):115-117.
[2] 楊閎盛,宋郭蒙,王雄.IGBT模塊與散熱器接觸界面氣隙對散熱的影響研究[J].機車電傳動,2020(1):18-21,33.
[3] 尹新.基于柵極控制的IGBT關(guān)斷過電壓研究[J].電源技術(shù),2016(3):680-683.
[4] 唐勇.高溫下的IGBT可靠性與在線評估[J].電工技術(shù)學(xué)圖13 IGBT驅(qū)動電路圖 報,2014(6):17-23.
*本文選自《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期
展開 比亞迪發(fā)布IGBT“中國芯”
12月10日，比亞迪在寧波發(fā)布了IGBT4.0技術(shù)。
活動現(xiàn)場
比亞迪IGBT4.0晶圓
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)全稱“絕緣柵雙極型晶體管”，其芯片與動力電池電芯并稱為電動車的 “雙芯”，是影響電動車性能的關(guān)鍵技術(shù)，其成本占整車成本的5%左右。對于電動車而言，IGBT直接控制驅(qū)動系統(tǒng)直、交流電的轉(zhuǎn)換，決定了車輛的扭矩和最大輸出功率等。
作為中國第一家實現(xiàn)車規(guī)級IGBT大規(guī)模量產(chǎn)、也是唯一一家擁有IGBT完整產(chǎn)業(yè)鏈的車企，此次發(fā)布會上，比亞迪還公布了另一消息：比亞迪已投入巨資布局性能更加優(yōu)異的第三代半導(dǎo)體材料SiC（碳化硅），有望于2019年推出搭載SiC電控的電動車。預(yù)計到2023年，比亞迪旗下的電動車將全面搭載SiC電控。
比亞迪推出IGBT4.0，引領(lǐng)車規(guī)級功率半導(dǎo)體發(fā)展
IGBT屬于汽車功率半導(dǎo)體的一種，因設(shè)計門檻高、制造技術(shù)難、投資大，被業(yè)內(nèi)稱為電動車核心技術(shù)的“珠穆拉瑪峰”。此前，該技術(shù)主要掌握在國際巨頭手中。
“比亞迪依靠自身強大的研發(fā)實力、人才的聚集、產(chǎn)業(yè)鏈的配套，在汽車功率半導(dǎo)體領(lǐng)域有了非常核心的突破，這個突破不是今天想，明天投入就能實現(xiàn)的，是積累了十多年的技術(shù)、人才和產(chǎn)業(yè)鏈才能實現(xiàn)的。”中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會IC設(shè)計分會副理事長周生明在活動現(xiàn)場如此表示。
制造IGBT難度大，在大規(guī)模應(yīng)用的1200V車規(guī)級IGBT芯片的晶圓厚度上，比亞迪處于全球先進水平，可將晶圓厚度減薄到120um（約兩根頭發(fā)絲直徑）。
經(jīng)過10余年的技術(shù)積累，比亞迪IGBT不斷迭代更新。活動現(xiàn)場，中國電器工業(yè)協(xié)會電力電子分會秘書長蔚紅旗表示：“比亞迪在電動車功率半導(dǎo)體領(lǐng)域布局較早，而且真抓實干，在電動車功率半導(dǎo)體領(lǐng)域創(chuàng)造了領(lǐng)先，中國的電動車發(fā)展不用擔(dān)心被‘卡脖子’了。”
展開 一文了解IGBT技術(shù)基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)知識
總的來說，在技術(shù)差距方面有：高鐵、智能電網(wǎng)、新能源與高壓變頻器等領(lǐng)域所采用的IGBT模塊規(guī)格在6500V以上，技術(shù)壁壘較強；IGBT芯片設(shè)計制造、模塊封裝、失效分析、測試等IGBT產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)仍掌握在發(fā)達國家企業(yè)手中。
近幾年中國IGBT產(chǎn)業(yè)在國家政策推動及市場牽引下得到迅速發(fā)展，已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整產(chǎn)業(yè)鏈，IGBT國產(chǎn)化的進程加快，有望擺脫進口依賴。
受益于新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)等各種利好措施，IGBT市場將引來爆發(fā)點。希望國產(chǎn)IGBT企業(yè)能從中崛起。
展開 智芯文庫 | IGBT模塊結(jié)構(gòu)及老化簡介
導(dǎo)讀：對于工程設(shè)計人員來講，IGBT芯片的性能，可以從規(guī)格書中很直觀地得到。但是，系統(tǒng)設(shè)計時，這些性能能夠發(fā)揮出來多少，就要看“封裝“了，畢竟夏天穿著棉襖工作任誰也扛不住，因此，對于怕熱的IGBT芯片來講，就是要穿得“涼快”。
電動汽車逆變器的應(yīng)用上，國際大廠還是傾向于自主封裝的IGBT，追求散熱效率的同時，以最優(yōu)化空間布局，匹配系統(tǒng)需求。
技術(shù) | IGBT模塊結(jié)構(gòu)及老化簡介
導(dǎo)讀：對于工程設(shè)計人員來講，IGBT芯片的性能，可以從規(guī)格書中很直觀地得到。但是，系統(tǒng)設(shè)計時，這些性能能夠發(fā)揮出來多少，就要看“封裝“了，畢竟夏天穿著棉襖工作任誰也扛不住，因此，對于怕熱的IGBT芯片來講，就是要穿得“涼快”。
電動汽車逆變器的應(yīng)用上，國際大廠還是傾向于自主封裝的IGBT，追求散熱效率的同時，以最優(yōu)化空間布局，匹配系統(tǒng)需求。
精確建模，無縫集成 | 《ANSYS電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計仿真解決方案》現(xiàn)已開放領(lǐng)取
IGBT應(yīng)用及封裝設(shè)計
· IGBT特征化建模和開關(guān)特性測試
· IGBT寄生參數(shù)提取及系統(tǒng)性能分析
· IGBT電磁性能分析和傳導(dǎo)路徑優(yōu)化
· IGBT多物理場耦合特性分析
· IGBT熱模型提取及系統(tǒng)性能分析
· IGBT輻射干擾分析
2. 驅(qū)動/控制系統(tǒng)設(shè)計
3. 永磁同步電機降階模型抽取
· 永磁同步電機降階模型原理
· ECE模型提取流程（以永磁同步電機PMSM為例）
· IPM電機ECE模型抽取
· 矢量控制算法仿真（Clark、Park、SVPWM）
4. 控制代碼自動生成
· 功能原理
· 模塊構(gòu)成
----SCADE Suite Advanced Modeler（高級建模器）
----SCADE Suite MTC（模型覆蓋率分析）
----SCADE Suite KCG（代碼生成器）
----SCADE Suite RM GATEWAY（需求管理工具）
· 應(yīng)用方案技術(shù)指標(biāo)
· 應(yīng)用方案特點
5. 電驅(qū)動系統(tǒng)集成化設(shè)計
6. 電驅(qū)動系統(tǒng)EMI/EMC
· 重要性
· 技術(shù)難題
· ANSYS解決方案
· ANSYS解決方案的典型應(yīng)用
----線纜選型和寄生參數(shù)提取
----線纜電磁輻射分析與布局優(yōu)化
----電磁設(shè)備傳導(dǎo)及輻射特性分析
----PCB控制板的電磁干擾分析
----機箱機柜屏蔽效能分析
----系統(tǒng)電磁環(huán)境對醫(yī)療設(shè)備的干擾
----系統(tǒng)設(shè)備布局和電磁隔離度分析
7. 電驅(qū)動系統(tǒng)熱設(shè)計
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展開 電動汽車電機控制工作原理及優(yōu)化方案
GBT的方向是650V IGBT的設(shè)計往更高的750V以及1200V 。
EMC等級越來越高。接下來要做到class5水平。
來源：電動知家
一文了解IGBT技術(shù)基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)知識
總的來說，在技術(shù)差距方面有：高鐵、智能電網(wǎng)、新能源與高壓變頻器等領(lǐng)域所采用的IGBT模塊規(guī)格在6500V以上，技術(shù)壁壘較強；IGBT芯片設(shè)計制造、模塊封裝、失效分析、測試等IGBT產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)仍掌握在發(fā)達國家企業(yè)手中。
近幾年中國IGBT產(chǎn)業(yè)在國家政策推動及市場牽引下得到迅速發(fā)展，已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整產(chǎn)業(yè)鏈，IGBT國產(chǎn)化的進程加快，有望擺脫進口依賴。
受益于新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)等各種利好措施，IGBT市場將引來爆發(fā)點。希望國產(chǎn)IGBT企業(yè)能從中崛起。
來源：面包板社區(qū)
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