IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)全稱“絕緣柵雙極晶體管”渤早，其芯片與動(dòng)力電池電芯并稱為電動(dòng)車的 “雙芯”渣叛，是影響電動(dòng)車性能的關(guān)鍵技術(shù)。
0.IGBT基本介紹
0.1 芯片形成階段：從多晶硅到晶圓到芯片旅急。
IGBT的源頭——單晶硅月而，需要電子純化，99.999999999%高純度多晶硅扛芽；基于金剛石的線切割法將硅錠切成一片片晶圓，同一塊硅錠產(chǎn)出晶圓越薄，產(chǎn)生的數(shù)量越多，生產(chǎn)成本將會(huì)下降零院，于是晶圓廠不懈追求著晶圓片的薄度；在晶圓這個(gè)地基上村刨，層層疊疊堆積電路，逐層構(gòu)建芯片的梁和柱撰茎。
0.2 IGBT的組成：BJT和MOS
IGBT是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件嵌牺。
0.3 IGBT的特點(diǎn)
IGBT具有以下特點(diǎn)：高輸入阻抗，可采用通用低成本的驅(qū)動(dòng)線路龄糊；高速開關(guān)特性逆粹；導(dǎo)通狀態(tài)低損耗。
IGBT兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)炫惩，在綜合性能方面占有明顯優(yōu)勢(shì)僻弹，非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器他嚷、開關(guān)電源蹋绽、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域筋蓖。
0.4 IGBT的常見形式：?jiǎn)喂芎湍K
0.4.1模塊
IGBT最常見的形式其實(shí)是模塊（Module）卸耘，而不是單管。
0.4.1.1模塊的3個(gè)基本特征：
多個(gè)芯片以絕緣方式組裝到金屬基板上粘咖；空心塑殼封裝蚣抗，與空氣的隔絕材料是高壓硅脂或者硅脂，以及其他可能的軟性絕緣材料瓮下；同一個(gè)制造商翰铡、同一技術(shù)系列的產(chǎn)品，IGBT模塊的技術(shù)特性與同等規(guī)格的IGBT 單管基本相同讽坏。
0.4.1.2模塊的主要優(yōu)勢(shì)
——多個(gè)IGBT芯片并聯(lián)锭魔，IGBT的電流規(guī)格更大。
——多個(gè)IGBT芯片按照特定的電路形式組合路呜，如半橋赂毯、全橋等，可以減少外部電路連接的復(fù)雜性。
——多個(gè)IGBT芯片處于同一個(gè)金屬基板上党涕，等于是在獨(dú)立的散熱器與IGBT芯片之間增加了一塊均熱板烦感，工作更可靠。
——一個(gè)模塊內(nèi)的多個(gè)IGBT芯片經(jīng)過(guò)了模塊制造商的篩選膛堤，其參數(shù)一致性比市售分立元件要好手趣。
——模塊中多個(gè)IGBT芯片之間的連接與多個(gè)分立形式的單管進(jìn)行外部連接相比，電路布局更好肥荔，引線電感更小绿渣。
——模塊的外部引線端子更適合高壓和大電流連接。同一制造商的同系列產(chǎn)品燕耿，模塊的最高電壓等級(jí)一般會(huì)比IGBT 單管高1-2個(gè)等級(jí)中符，如果單管產(chǎn)品的最高電壓規(guī)格為1700V，則模塊有2500V誉帅、3300V 乃至更高電壓規(guī)格的產(chǎn)品淀散。
0.4.2單管
晶圓上的一個(gè)最小全功能單元稱為Cell，晶圓分割后的最小單元蚜锨，構(gòu)成IGBT 單管或者模塊的一個(gè)單元的芯片單元档插，合稱為IGBT的管芯。
一個(gè)IGBT管芯稱為模塊的一個(gè)單元亚再，也稱為模塊單元郭膛、模塊的管芯。模塊單元與IGBT管芯的區(qū)別在最終產(chǎn)品氛悬，模塊單元沒(méi)有獨(dú)立的封裝则剃，而管芯都有獨(dú)立的封裝，成為一個(gè)IGBT管如捅。
近來(lái)還有一種叫IPM的模塊忍级，把門級(jí)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路也封裝進(jìn)IGBT模塊內(nèi)部，這是給那些最懶的工程師用的伪朽，不過(guò)工作頻率自然不能太高咯轴咱。
單管的價(jià)格要遠(yuǎn)低于模塊，但是單管的可靠性遠(yuǎn)不及模塊烈涮。全球除特斯拉和那些低速電動(dòng)車外朴肺，全部都是使用模塊。
1.IGBT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和局限性
1.1為何IGBT技術(shù)在汽大量應(yīng)用坚洽？
擅長(zhǎng)小功率作戰(zhàn)的MOS管芯片戈稿，雖然為手機(jī)、電腦帶來(lái)更快的運(yùn)行速度讶舰，但其耐壓低鞍盗，在高電壓需了、大電流應(yīng)用中損耗大的弱點(diǎn)，使之無(wú)法投入到大功率作戰(zhàn)中般甲。
導(dǎo)通壓降小肋乍、耐壓高、輸出功率高的IGBT芯片此時(shí)露出它鋒利的武器敷存，吞噬著MOS的份額墓造。對(duì)于電動(dòng)車而言，IGBT直接控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直锚烦、交流電的轉(zhuǎn)換觅闽，決定了車輛的扭矩和最大輸出功率等。
不僅電機(jī)驅(qū)動(dòng)要用IGBT涮俄，新能源的發(fā)電機(jī)和空調(diào)部分一般也需要IGBT蛉拙。不僅是新能源車，直流充電樁和機(jī)車（高鐵）的核心也是IGBT管彻亲，直流充電樁30%的原材料成本就是IGBT孕锄。電力機(jī)車一般需要 500 個(gè)IGBT 模塊，動(dòng)車組需要超過(guò)100個(gè)IGBT模塊睹栖，一節(jié)地鐵需要50-80個(gè) IGBT 模塊。
1.2 IGBT的局限性
1.2.1 穿通型元件必然存在能量損耗
IGBT本身是一個(gè)非通即斷的開關(guān)茧痕，導(dǎo)通時(shí)可以看作導(dǎo)線，斷開時(shí)可以看作開路踪旷。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器中曼氛，IGBT主要負(fù)責(zé)將動(dòng)力電池傳輸?shù)闹绷麟娹D(zhuǎn)化為交流電。電流從上而下垂直穿過(guò)IGBT令野，直至抵達(dá)驅(qū)動(dòng)電機(jī)舀患。芯片越薄，電流所上面流過(guò)的路徑就越短气破，損耗在芯片上的能量也就隨之降低聊浅。
有人說(shuō)，IGBT并不是一個(gè)理想開關(guān)现使，原因在于它在導(dǎo)通之時(shí)有飽和電壓——Vcesat低匙，造成導(dǎo)通損耗；在開關(guān)時(shí)也有開關(guān)能耗——Eon和Eoff碳锈。IGBT在它們的打擊下性能減弱顽冶。若IGBT受到的損耗降低，整車電耗也將明顯降低售碳。
概括說(shuō)來(lái)强重，為了降低整車電耗绞呈，必須有意將Vcesat和開關(guān)損耗降到更低。
1.2.2 Vcesat和Eoff互相矛盾的特性
Vcesat和Eoff是一對(duì)矛盾體间景，對(duì)同一代的IGBT技術(shù)來(lái)講佃声，Vcesat做小，Eoff就高了拱燃，反之亦然秉溉。它們必須相互妥協(xié)，相互折衷碗誉。這一點(diǎn)就比較考驗(yàn)制造商的能力了召嘶。
2.新一代IGBT技術(shù)核心有哪些？
2.1復(fù)合場(chǎng)終止技術(shù)
2.1.1用于減薄芯片厚度
基于場(chǎng)終止技術(shù)設(shè)計(jì)的IGBT芯片（又被稱為軟穿通或者輕穿通IGBT）哮缺，在NPT基礎(chǔ)上增加了復(fù)合場(chǎng)終止層弄跌，將芯片厚度減薄。
如比亞迪4.0代IGBT尝苇，從原來(lái)的180um減薄至120um（約兩根頭發(fā)絲直徑）铛只。為了減少能耗，比亞迪的解決方案是糠溜，增加復(fù)合場(chǎng)終止層淳玩，減薄N-漂移區(qū)（漂移區(qū)的正向壓降與厚度密切相關(guān)）。
場(chǎng)終止層是為了能夠截止電場(chǎng)非竿。
“通過(guò)一個(gè)多層的場(chǎng)終止結(jié)構(gòu)蜕着，優(yōu)化電阻分布”。N-漂移區(qū)更薄红柱，電阻越小承匣，Vcesat損耗更低；更薄N-層導(dǎo)通時(shí)存儲(chǔ)的過(guò)剩載流子總量更少锤悄，縮短關(guān)斷時(shí)間韧骗，減少關(guān)斷損耗。最終達(dá)到一個(gè)整體電耗的降低零聚。
比如比亞迪4.0IGBT袍暴，與2.5代相比，比亞迪IGBT 4.0代Eoff降低了30%隶症，而且Vcesat也從2.25V降至2.05V容诬。與主流產(chǎn)品相比，它在Vcesat和Eoff之間的平衡能力也更優(yōu)異沿腰。
2.2 精細(xì)化平面柵設(shè)計(jì)
通過(guò)精細(xì)化平面柵設(shè)計(jì)览徒，將IGBT元胞的面積縮小51%（元胞的功能是降低導(dǎo)通壓降、增加輸出功率）颂龙。通常习蓬，一個(gè)IGBT芯片在結(jié)構(gòu)上是由數(shù)十萬(wàn)個(gè)元胞組成纽什。于是，元胞面積縮小后躲叼，同樣的芯片中可包含更多的元胞芦缰，電流密度也由此提升20%。
與此同時(shí)枫慷，驅(qū)動(dòng)門極（電壓高低让蕾，決定門極給出開還是關(guān)的信號(hào)）啟動(dòng)的功率更低，并且加快開關(guān)速度或听，同樣有利于降低整車能耗和系統(tǒng)干擾探孝。
2.3 新型碳化硅材料
功率半導(dǎo)體企業(yè)業(yè)已預(yù)見到，IGBT的硅基材料性能可能無(wú)法滿足未來(lái)更高的需求∮桑現(xiàn)在顿颅，它們已開始尋求更低芯片損耗、更強(qiáng)電流輸出能力足丢、更耐高溫的全新半導(dǎo)體材料粱腻。如半導(dǎo)體材料SiC（高純碳化硅粉）。
SiC能將新能源車的效率再提高10%斩跌，這是新能源車提高效率最有效的技術(shù)绍些。
目前限制SiC應(yīng)用主要是兩方面，一是價(jià)格耀鸦，其價(jià)格是傳統(tǒng)Si型IGBT的6倍柬批。其次是電磁干擾。 SiC的開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)Si型IGBT揭糕，回路寄生參數(shù)已經(jīng)大到無(wú)法忽略萝快。
對(duì)日本廠家來(lái)說(shuō)锻霎，SiC基板都沒(méi)有絲毫難度著角，三菱、豐田旋恼、羅姆吏口、富士電機(jī)、日立冰更、瑞薩产徊、東芝都有能力自己制造，全部是內(nèi)部開發(fā)的技術(shù)蜀细。意法半導(dǎo)體技術(shù)也不錯(cuò)舟铜。
2.4散熱工藝優(yōu)化
車用IGBT的散熱效率要求比工業(yè)級(jí)要高得多，逆變器內(nèi)溫度最高可達(dá)大20度奠衔，同時(shí)還要考慮強(qiáng)振動(dòng)條件谆刨，車規(guī)級(jí)的IGBT遠(yuǎn)在工業(yè)級(jí)之上塘娶。
工業(yè)級(jí)IGBT與車規(guī)級(jí)IGBT對(duì)比：
2.4.1 內(nèi)部引線技術(shù)
解決散熱的第一點(diǎn)，就是提高 IGBT模塊內(nèi)部的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能痊夭、耐受功率循環(huán)的能力刁岸， IGBT模塊內(nèi)部引線技術(shù)經(jīng)歷了粗鋁線鍵合、 鋁帶鍵合再到銅線鍵合的過(guò)程她我，提高了載流密度虹曙。
2.4.2新焊接工藝
第二點(diǎn)，新的焊接工藝番舆，傳統(tǒng)焊料為錫鉛合金酝碳， 成本低廉、工藝簡(jiǎn)單合蔽， 但存在環(huán)境污染問(wèn)題击敌， 且車用功率模塊的芯片溫度已經(jīng)接近錫鉛焊料熔點(diǎn)（220℃）。
解決該問(wèn)題的新技術(shù)主要有：低溫銀燒結(jié)技術(shù)和瞬態(tài)液相擴(kuò)散焊接拴事。與傳統(tǒng)工藝相比沃斤， 銀燒結(jié)技術(shù)的導(dǎo)熱性、耐熱性更好刃宵， 具有更高的可靠性衡瓶。
瞬態(tài)液相擴(kuò)散焊接通過(guò)特殊工藝形成金屬合金層， 熔點(diǎn)比傳統(tǒng)焊料高牲证， 機(jī)械性能更好哮针。三菱則使用超聲波焊接。
2.4.3改進(jìn)DBC和模塊底板
第三點(diǎn)坦袍，改進(jìn)DBC和模塊底板十厢，降低散熱熱阻， 提高熱可靠性捂齐， 減小體積蛮放，降低成本等。以 AlN 和 AlSiC 等材料取代 DBC 中的Al2O3和Si3N4等常規(guī)陶瓷奠宜，熱導(dǎo)率更高包颁，與Si 材料的熱膨脹系數(shù)匹配更好。
此外压真，新型的散熱結(jié)構(gòu)娩嚼，如 Pin Fin結(jié)構(gòu) 和 Shower Power結(jié)構(gòu)， 能夠顯著降低模塊的整體熱阻滴肿，提高散熱效率岳悟。
2.4.4擴(kuò)大模塊與散熱底板間的連接面積
第四就是擴(kuò)大模塊與散熱底板間的連接面積，如端子壓接技術(shù)泼差。
2.5背板工藝優(yōu)化
IGBT的正面工藝和標(biāo)準(zhǔn)BCD的LDMOS沒(méi)區(qū)別贵少，區(qū)別在背面和屎，背面工藝有幾點(diǎn)：
首先是減薄，大約需要減薄6-8毫米春瞬，減得太多容易碎片柴信，減得太少?zèng)]有效果。接下來(lái)是離子注入宽气，注入一層薄磷做緩沖層随常，第四代需要兩次注入磷，本來(lái)硅片就很薄了萄涯，兩次注入很容易碎片绪氛。然后是清洗，接下來(lái)金屬化涝影，在背面蒸鍍一層鈦或銀枣察，最后是Alloy，因?yàn)楣杵∪悸撸苋菀茁N曲或碎片序目。英飛凌特別擅長(zhǎng)減薄技術(shù)。
2.6 抗雪崩效應(yīng)的優(yōu)化方案
ＩＧＢＴ關(guān)斷時(shí)容易在過(guò)壓伯襟、過(guò)流條件下出現(xiàn)動(dòng)態(tài)雪崩電流絲化問(wèn)題猿涨，若發(fā)展為二度動(dòng)態(tài)雪崩（標(biāo)志是集電極—發(fā)射極電壓關(guān)斷波形出現(xiàn)負(fù)阻凹陷區(qū)）則會(huì)把器件引入具有失效危險(xiǎn)的工作區(qū)。而工業(yè)生產(chǎn)中通常采用減薄芯片結(jié)合提高基區(qū)電阻率（降低摻雜濃度）的方法來(lái)改善ＩＧＢＴ關(guān)斷能耗Ｅｏｆｆ與通態(tài)壓降ＶＣＥ（ｏｎ）的折中關(guān)系姆怪，很容易誘發(fā)動(dòng)態(tài)雪崩現(xiàn)象叛赚，直接影響器件的堅(jiān)固性和安全工作區(qū)（ＳＯＡ）面積。
通過(guò)對(duì)器件內(nèi)部動(dòng)態(tài)雪崩電流成絲信息的提取和分析稽揭，可以分析不同漂移區(qū)厚度ｄ和摻雜濃度ＮＤ對(duì)動(dòng)態(tài)雪崩電流成絲程度的影響俺附，在ＮＤ －∠啤ｄ平面上定量確定了漂移區(qū)設(shè)計(jì)中的二度動(dòng)態(tài)雪崩臨界線事镣，明確區(qū)分了二度動(dòng)態(tài)雪崩區(qū)與安全區(qū)。
背面設(shè)計(jì)方面膨桥，降低背Ｐ區(qū)摻雜濃度和降低場(chǎng)終止層摻雜濃度這兩種方案都有利于臨界線向擴(kuò)張安全區(qū)的方向變動(dòng)蛮浑，讓原處于二度動(dòng)態(tài)雪崩區(qū)的危險(xiǎn)設(shè)計(jì)點(diǎn)變得安全唠叛；前者改善電流分布均勻性的效果更明顯只嚣，但在應(yīng)用條件需要避免高換相ｄｖ／ｄｔ時(shí)，采用后一種方案更為合適艺沼。
2.7門極電量
門極驅(qū)動(dòng)電路的作用：放大輸出功率册舞，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)IGBT功率器件的目的。
降低門極電量能減少驅(qū)動(dòng)電路帶來(lái)的能耗障般，提高開關(guān)速度调鲸，更小的門極振蕩盛杰。
最小門極電阻確定了最大門極峰值電流。增大門極峰值電流能減小開關(guān)時(shí)間藐石，從而降低開關(guān)損耗即供。但最大的門極峰值電流又受限于驅(qū)動(dòng)的輸出能力。驅(qū)動(dòng)的規(guī)格書中一般會(huì)定義最大門極電流輸出能力于微，即定義了最小允許的門極電阻逗嫡，應(yīng)用中應(yīng)考慮這個(gè)因素避免驅(qū)動(dòng)過(guò)載失效。
IGBT的開關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道株依，給PNP 晶體管提供基極電流驱证，使IGBT 導(dǎo)通。反之恋腕，加反向門極電壓消除溝道抹锄，切斷基極電流，使IGBT 關(guān)斷荠藤。
如果提高開通門極電壓+VGE伙单，開通速度會(huì)上升，開通損耗會(huì)下降哈肖。相反车份，開通時(shí)的噪聲干擾會(huì)增加。同樣牡彻，如果提高關(guān)斷門極電壓-VGE扫沼，關(guān)斷速度會(huì)上升，關(guān)斷損耗會(huì)下降庄吼。相反缎除，關(guān)斷時(shí)的浪涌電壓及噪聲干擾會(huì)增加。
2.8提升功率密度
豐田19总寻，國(guó)內(nèi)只有8器罐，差距很大。
