IGBT芯片的结构特点和性能优势

来源：洞察3C前沿

IGBT

当前的新能源车的模块系统由很多部分组成，如电池、VCU、BSM、电机等，但是这些都是发展比较成熟的产品，国内外的模块厂商已经开发了很多，但是有一个模块需要引起行业内的重视，那就是电机驱动部分，则是电机驱动部分最核心的元件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管芯片）。

大家好！今天我要和大家分享的是关于IGBT（绝缘栅双极性晶体管）芯片的革命性崛起。这项创新的科技巨擘在现代电力电子领域掀起了一场震撼世界的变革。想象一下，在过去的几十年中，我们生活的每个角落都离不开能源的驱动。然而，传统的功率晶体管却受限于一些方面不足。幸运的是，IGBT芯片的出现彻底改变了这一局面。

IGBT和MOS管都是一种用于电力控制的半导体器件。它们的作用是在电路中调整或控制电流的流动。

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是一种具有低压控制和高电流能力的开关设备。它结合了场效应晶体管（MOSFET）和双极型晶体管（BJT）的优点，具有低开通电阻和高开通速度，能够承受较高的电流和电压。IGBT主要用于交流电力电子设备中，如变频器、电机驱动器、逆变器等。

MOS管（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种基于MOS结构的晶体管。它具有高输入电阻、低功耗和快速开关速度等特点，可以用作开关、放大器、放大器驱动器等。MOS管可以分为两类：增强型MOSFET（nMOS）和耗尽型MOSFET（pMOS）。增强型MOSFET需要一个正电压作为控制信号以切换其导通状态，而耗尽型MOSFET需要一个负电压作为控制信号。

总的来说，IGBT主要用于高功率电力应用，而MOS管则适用于低功率应用。IGBT具有较高的电流和电压能力，可以承受较大的负载，但开关速度相对较慢。相比之下，MOS管具有较低的功耗和更快的开关速度，但电流和电压能力相对较弱。在电路设计中，对于不同的应用需求和电路规模，可以选择使用不同类型的器件。

“凭啥说我不行！！！“随着传统的功率晶体管（包括MOSFET和BJT）的破门而入，小编打字都开始静悄悄，我小声悄悄跟你们说。

虽然它们在很多电子设备中都有广泛的应用，但在一些特定的应用场景中，它们存在一些不足之处：

1、传统功率晶体管的效率问题。在高压、高电流的情况下，传统的功率晶体管在导通状态下会有较高的导通电阻，导致能源被转化为热量损失。这意味着功率晶体管在工作时会消耗大量的功率，并且需要额外的散热措施来解决发热问题。

2、传统功率晶体管的速度问题。功率晶体管在开关过程中存在一定的开启延迟时间和关闭延迟时间，限制了其在高频率开关应用中的性能。

幸运的是，IGBT芯片的出现彻底改变了这些局限。IGBT芯片结合了MOSFET和BJT的优点，有效克服了功率晶体管的不足之处：

1、IGBT芯片具有低导通电阻和高电流承载能力的优点，可以在高压、高电流的环境中实现较低的功率损耗。这使得它们在功率转换和电力传输等应用中更加高效。

2、IGBT芯片在开关速度方面表现较为出色。相对于传统的BJT晶体管，IGBT芯片具有更快的开启速度和关闭速度，这使得它们能够在高频率开关电路中表现出更好的性能。

综上所述，传统的功率晶体管在效率和速度方面存在一些限制，而IGBT芯片通过结合MOSFET和BJT的优点，解决了这些问题。因此，IGBT芯片被广泛应用于需要高效、高速开关能力的领域，例如电力传输、工业控制和新能源领域。

结构特点：

PT-IGBT采用 P 型直拉单晶硅作为衬底，在此之上依次生长N+ buffer，N-base外延，最后在外延层表面形成元胞结构。P 型衬底作为器件的集电区浓度高且难以减薄，为了减小阳极侧空穴载流子的注入效率，通常会在漂移区和衬底之间外延生长一层 N+缓冲层，用来阻挡部分空穴注入。在阻断状态下，缓冲层又起到截止漂移区电场的作用，由于电场穿透漂移区，故称此结构为穿通型 IGBT。

性能优势：

1、低导通压降：

平面栅穿通型IGBT相比传统功率晶体管具有较低的导通压降，即在导通状态下的电压降低；这是由于电导调制的存在，导通时，当P+区注入到N区的少子浓度很大（大注入）、接近掺杂浓度，则额外积累起来的多子浓度也就与掺杂浓度相当了，这时，N区的电导率实际上就决定于基区掺杂浓度和额外增加的多子浓度的总和，从而N区的有效电导率大大增加了，即降低了N区的电阻率。

2、高电压承受能力：

平面栅穿通型IGBT可以根据应用环境设计出不同N区的厚度来达到所要求的耐压上限，可以较高的电压承受能力，适用于高压应用。

3、简化驱动电路：

相对于传统功率晶体管，平面栅穿通型IGBT的驱动电路更为简化。它通常只需要一个正向电压脉冲来开启，而无需连续施加电压，减少了驱动电路的复杂性和成本。

存在问题：

1、开关损耗较大：

相对于传统功率晶体管，平面栅穿通型IGBT的开关损耗较大；这是由于其较厚的P+区，导致关断时空穴抽离的路径较远。

2、导通压降相对较高：

尽管相对于传统功率晶体管有所改进，但平面栅穿通型IGBT仍然存在较高的导通压降，这取决于正面结构电流路径的复杂性及其较厚的P+区。

3、温度依赖性：

平面栅穿通型IGBT的性能受温度影响较大。其导通特性和开关速度由于复杂的掺杂浓度层次的交替，高温下不同层次的表现不同，致使其受温度影响大，且期间整体的漏电流较高。

4、高电流饱和现象：

在较高电流密度时，平面栅穿通型IGBT可能会出现饱和现象，即电流不再线性响应于控制电压的变化，这是由于平面栅结构的退饱和效应，栅极施加一个大于阈值的正压VGE，则栅极氧化层下方会出现强反型层，形成导电沟道。这时如果给集电极C施加正压VCE，则发射极中的电子便会在电场的作用下源源不断地从发射极E流向集电极C，而集电极中的空穴则会从集电极C流向发射极E，这样电流便形成了。这时电流随CE电压的增长而线性增长，器件工作在饱和区。当CE电压进一步增大，IGBT沟道末的电势随着VCE而增长，使得栅极和硅表面的电压差很小，进而不能维持硅表面的强反型，这时沟道出现夹断现象，电流不再随CE电压的增加而成比例增长，即IGBT退出饱和区。

N 型衬底IGBT——平面栅非穿通型（NPT）IGBT：

IGBT模块究竟如何工作？

在电控模块中，IGBT模块是逆变器的最核心部件，总结其工作原理：

通过非通即断的半导体特性，不考虑过渡过程和寄生效应，我们将单个IGBT芯片看做一个理想的开关。我们在模块内部搭建起若干个IGBT芯片单元的并串联结构，当直流电通过模块时，通过不同开关组合的快速开断，来改变电流的流出方向和频率，从而输出得到我们想要的交流电。

IGBT模块结构和汽车IGBT模块应用

上面提到了IGBT模块在电驱系统中的作用，下面我们展开来具体看看IGBT模块的结构。

4、IGBT模块实物长啥样？

IGBT模块的标准封装形式是一个扁平的类长方体，下图为HP1模块的正上方视角，最外面白色的都是塑料外壳，底部是导热散热的金属底板（一般是铜材料）。可以看到模块外面还有非常多的端子和引脚，各自有自己的作用：

1是DC正，2是DC负；3，4，5是三相交流电的U、V、W接口；6，25，22是集电极的信号端子，7，9，11，13，15，17是门极信号端子；8，10，12，14，16，18是发射极信号端子；19是DC负极信号端子；23，24是NTC热敏电阻端子。

图：HP1模块等效电路图

5、IGBT的基础拓扑结构是怎样的？

图：IGBT模块基础电路拓扑结构

图片来源，翠展微

如上图所示，在IGBT模块/单管中，一般统称一单元是IGBT单管，二单元是单个桥臂（半桥），四单元是H桥（单相桥），六单元是三相桥（全桥），七单元一般是六单元+一个制动单元，八单元一般是六单元+制动单元+预充电单元。

一个单元由1对、2对或3对FRD+IGBT组成。其中1对，可以是1个FRD+1个IGBT，也可以是1个FRD+2个IGBT等。

具体实物可参照下图，这是一个6单元的IGBT模块。

图：英飞凌Primepack IGBT模块

图片来源，"耿博士电力电子技术"公众号

IGBT模块的生产流程？

图：IGBT 标准封装结构横切面

图片来源，翠展微

如上图所示，可以看到IGBT模块横切面的界面，目前壳封工艺的模块基本结构都相差不大。IGBT模块封装的流程大致如下：

贴片→真空回流焊接→超声波清洗→X-ray缺陷检测→引线键合→静态测试→二次焊接→壳体灌胶与固化→端子成形→功能测试（动态测试、绝缘测试、反偏测试）

贴片，首先将IGBT wafer上的每一个die贴片到DBC上。DBC是覆铜陶瓷基板，中间是陶瓷，双面覆铜，DBC类似PCB起到导电和电气隔离等作用，常用的陶瓷绝缘材料为氧化铝（Al2O3）和氮化铝（AlN）；

真空焊接，贴片后通过真空焊接将die与DBC固定，一般焊料是锡片或锡膏；

X-ray空洞检测，需要检测在敢接过程中出现的气泡情况，即空洞，空洞的存在将会严重影响器件的热阻和散热效率，以致出现过温、烧坏、爆炸等问题。一般汽车IGBT模块要求空洞率低于1%；

接下来是wire bonding工艺，用金属线将die和DBC键合，使用最多的是铝线，其他常用的包括铜线、铜带、铝带；

中间会有一系列的外观检测、静态测试，过程中有问题的模块直接报废；

重复以上工序将DBC焊接和键合到铜底板上，然后是灌胶、封壳、激光打码等工序；

出厂前会做最后的功能测试，包括电气性能的动态测试、绝缘测试、反偏测试等等。

审核编辑：汤梓红