什么是IGBT？IGBT內部結構拆解

當前的新能源車的模塊系統由很多部分組成，如電池、VCU、BSM、電機等，但是這些都是發(fā)展比較成熟的產品，國內外的模塊廠商已經開發(fā)了很多，但是有一個模塊需要引起行業(yè)內的重視，那就是電機驅動部分，則是電機驅動部分最核心的元件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極型晶體管芯片）。 IGBT （絕緣柵雙極晶體管）作為一種功率半導體器件，廣泛應用于軌道交通、智能電網、工業(yè)節(jié)能、電動汽車和新能源裝備等領域。具有節(jié)能、安裝方便、維護方便、散熱穩(wěn)定等特點。它是能量轉換和傳輸的核心裝置。簡單概括一下，IGBT可以說是MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）和BJT的結合體（雙極結型晶體管）。即它結合了MOSFET的柵壓控制晶體管（高輸入阻抗），利用BJT的雙載流子來達到大電流的目的（壓控雙極型器件）。那么這樣的組合內部結構是怎樣的呢？ ? ?

一、IGBT模塊詳解

以拆解的IGBT模塊型號為：FF1400R17IP4為例。模塊外觀及等效電路如圖1所示。本模塊長寬高分別為：25cmx8.9cmx3.8cm。模塊包含兩個IGBT，也就是我們常說的半橋模塊。每個IGBT的額定電壓和電流分別為1.7kV和1.4kA。

圖 1. FF1400R17IP4 部分 8、9、10、11、12為電源端子，需要接電源電路。 1、2、3、4、5為輔助控制端，需接門極驅動電路。 6、7為NTC熱敏電阻，用于溫度檢測或過溫保護。 在大致了解了它的結構之后，我們可以用這種結構的黑色模塊做什么呢？舉一個我們身邊的例子：新型電動汽車，大家應該都不陌生了。三個這樣的黑色模塊可以用作三相電機驅動器。如果配備電池，它可以驅動電動公交車。當然，這個模塊也用在很多其他的應用中。 ? 二、IGBT內部結構 在初步了解了IGBT模塊的外部結構和應用之后，讓我們進入本文的主題，看看這個高科技黑模塊的內部是什么樣的。圖3是去掉黑色外殼的IGBT模塊內部圖。需要注意的是，最常見的銅和鋁都在IGBT模塊內部。

圖 3. IGBT 內部結構

圖4是IGBT模塊的剖視圖。如果去掉黑色外殼和外部連接端子，IGBT模塊主要包含散熱基板、DBC基板和硅芯片（包括IGBT芯片和Diode芯片）3個元件，其余主要是焊層和互連線用于連接IGBT芯片、Diode芯片、電源端子、控制端子和DBC（Direct Bond Copper）。下面我們將對每個部分進行簡要介紹。

圖 4.?IGBT 剖面圖

① 散熱基板 IGBT模塊的底部是散熱基板，主要目的是快速傳遞IGBT開關過程中產生的熱量。由于銅具有更好的導熱性，因此基板通常由銅制成，厚度為3-8mm。當然，也有其他材料制成的基板，例如鋁碳化硅（AlSiC），兩者各有優(yōu)缺點。 ② DBC DBC（Direct Bond Copper）是一種陶瓷表面金屬化技術，共包含3層。中間有陶瓷絕緣層，上下分別有覆銅層，如圖5(a)所示。簡單的說就是在絕緣材料的兩面覆蓋一層銅層，然后在正面蝕刻出可以承載電流的圖形，而背面必須直接焊接到散熱基板上。

圖 5. DBC Base 與 PCB DBC的主要作用需要保證硅片與散熱基板之間的電絕緣能力和良好的導熱性，同時還要提供一定的電流傳輸能力。DBC基板類似于2層PCB電路板。PCB中間的絕緣材料一般是FR4，而DBC常用的陶瓷絕緣材料是氧化鋁（Al2O3）和氮化鋁（AlN）。 本文分析的IGBT模塊，內部有6個DBC，每個DBC有4個IGBT芯片和2個Diode芯片。其中2個IGBT芯片和1個Diode芯片用作上管，其余用作下管。如圖6所示。

圖 6. DBC 圖和等效電路

③ IGBT 芯片模塊 內部使用的IGBT 芯片型號為：IGCT136T170。該手冊可從英飛凌官網下載。圖7為IGBT芯片俯視圖及基本參數。IGBT的柵極和發(fā)射極在芯片上方（正面），集電極在下方（背面）。芯片厚度為200um。IGBT上電后，電流由下而上流過，所以這種結構的IGBT也可以稱為立式器件。

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圖 7. IGBT 芯片圖

如果在200um的芯片上做一個垂直切割，可以得到如圖8所示的內部結構，它是由不同摻雜的P型或N型半導體組合而成。圖 8 是眾所周知的 IGBT 等效電路，通常將其理解為 MOS 控制的 PNP 晶體管。剛開始學習電力電子的時候，你可能會覺得這張圖有點陌生。為什么不把集電極畫在上面，發(fā)射極畫在下面呢？直到你明白IGBT的電流是從下往上流的，就不難解釋了。

圖 8. IGBT 芯片結構和等效電路

下面就讓我們對這款IGBT芯片的電氣參數有個大概的了解吧。該芯片在 100°C 時可以通過 117.5A 的直流電流。從圖4可以看出，模塊內部單個IGBT器件一共包含12個IGBT芯片，所以總電流為：117.5*12=1412A，與IGBT模塊手冊中的1400A額定電流基本一致.

為了保證IGBT芯片之間的均流效果，在每個芯片的柵極內部集成了一個11.5Ω的電阻。同時，考慮到DBC之間的均流，每個DBC上的兩個芯片對外共用一個柵極電阻，如圖10所示，用萬用表測量時，阻值約為4.13Ω。可以結合圖9計算一下，看是否與IGBT模塊手冊中的1.6Ω一致。當然，更詳細的IGBT芯片參數可以參考官方手冊。

圖 9. IGBT 等效電路

④ 二極管芯片 圖10是二極管芯片的俯視圖，正面為陽極，背面為陰極。二極管的電流方向是從上到下，與IGBT的電流方向正好相反。二極管芯片額定電流為235A，每只IGBT由6個二極管并聯組成，總電流可達1410A，與模塊說明書中的1400A基本持平。二極管芯片的厚度和IGBT一樣，也是200um。更詳細的二極管芯片參數請參考官方手冊。

圖 10.二極管圖

這么薄的半導體材料能有千伏的電壓和幾百安培的電流通斷，很了不起。這就是為什么大功率半導體器件的價格如此昂貴的原因。IGBT芯片、Diode芯片與DBC的上銅層互連一般通過焊線實現。常用的鍵合線有鋁線和銅線。其中，鋁線鍵合工藝成熟，成本低，但鋁線鍵合的電學和熱力學性能差，膨脹系數失配大，影響IGBT的使用壽命。銅線鍵合工藝具有優(yōu)良的電學和熱力學性能，可靠性高，適用于高功率密度和高效散熱的模塊。

三、 IGBT 內部電流流動

在對IGBT模塊的內部結構有了基本的了解之后，讓我們回過頭來將上述所有元件互連起來，看看電流在IGBT模塊內部是如何流動的。這里我們以其中一個DBC中的上管IGBT為例來說明電流的流動。紅色代表上管IGBT（S1和S2）的電流方向，藍色代表二極管D1的電流方向。圖11(b)為圖11(b)模塊的左剖視圖及電流方向示意圖。

圖 11(a) IGBT 電流

圖 11(b) IGBT電流

四、如何拆卸IGBT模塊？

可能有些朋友會好奇這個模塊怎么拆，其實很簡單。你只需要準備兩把螺絲刀和一把小錘子。

圖 12. IGBT 拆卸 第一步：擰下IGBT模塊底部的4顆螺絲。 第二步：用一字螺絲刀撬開IGBT模塊正面的所有端子。這一步非常重要。需要保證所有撬開后的端子與模組基板垂直。 第三步：需要將IGBT固定在一處，或者用一字螺絲刀對準IGBT模塊塑料外殼與基板連接處的任意位置，用錘子敲打螺絲刀，撬開外殼用螺絲刀從基板上。撬開一個位置后，放上東西，再撬另一個位置，如此反復，慢慢撬開后，直接用手撬開即可。

五、常見問題

1、什么是IGBT模塊？ IGBT 是一種功率半導體芯片，是絕緣柵雙極晶體管的簡稱。... IGBT 功率模塊用作電子開關設備。通過交替開關，直流電 (DC) 可以轉換為交流電 (AC)，反之亦然。

2、IGBT模塊是如何工作的？ IGBT 結合了功率 MOSFET 的簡單柵極驅動特性和雙極晶體管的高電流和低飽和電壓能力。IGBT 將用于控制輸入的隔離柵 FET 和作為開關的雙極功率晶體管組合在單個器件中。

3、IGBT的用途是什么？ IGBT 在單個器件中結合了具有MOS 結構的控制輸入和用作輸出開關的雙極功率晶體管。IGBT 適用于高電壓、高電流應用。它們旨在以低功率輸入驅動高功率應用。

4、IGBT有幾層？ IGBT 的工作原理：IGBT由 4 層半導體夾在一起構成?？拷姌O的層是 p+ 襯底層，上面是 n- 層，另一個 p 層靠近發(fā)射極，在p 層內部，我們有 n+ 層。

5、IGBT的端子有哪些？ IGBT的三個端子是Gate、 Collector和Emitter。 6. Mosfet有多少個端子？ MOSFET 有四個端子：漏極、源極、柵極和體或襯底。

7、注入層在IGBT中的作用是什么？ p+襯底也稱為注入層，因為它向n-層注入空穴。n層稱為漂移區(qū)。接下來的p層稱為IGBT的本體。p+ 和 p 區(qū)域之間的 n- 層用于容納 pn- 結的耗盡層，即 J2。

8. 可以用MOSFET代替IGBT嗎？ 由于 IGBT 的可用電流密度更高，它通?？梢蕴幚肀人〈牡湫?MOSFET 多兩到三倍的電流。這意味著單個 IGBT 器件可以替代并聯運行的多個 MOSFET或當今可用的任何超大型單功率 MOSFET。

9. IGBT 的三個端子是什么，它們的作用是什么？ IGBT（絕緣柵雙極晶體管）是一種三端子電子元件，這些端子稱為發(fā)射極（E）、集電極（C）和柵極（G）。它的兩個終端即集電極和發(fā)射極與電導路徑相關聯，其余終端“G”與其控制相關聯。

10. 什么是 IGBT 描述其結構？ IGBT –原理、類型、結構、操作和應用。... IGBT（絕緣柵雙極晶體管）將 BJT 和 MOSFET 的最佳部分集成到單個晶體管中。它取了MOSFET（Insulated Gate）的輸入特性（高輸入阻抗）和BJT（Bipolar nature）的輸出特性。

11、IGBT如何將直流電轉換為交流電？ IGBT充當開關（當信號施加到柵極時，它們打開，然后在信號移除時關閉）。通過關閉 Q1 和 Q4，向負載施加正直流電源。Q2和 Q3 將在負載上產生負直流電源。

12、IGBT有什么優(yōu)勢？ IGBT 相對于功率 MOSFET 和 BJT 的主要優(yōu)勢是：由于電導率調制，它具有非常低的導通電壓降，并且具有出色的導通電流密度。所以更小的芯片尺寸是可能的并且可以降低成本。

13.什么是IGBT中的漂移層？IGBT 的漂移區(qū)（電場或電荷移動） 作為PNP 晶體管的基極。晶體管的電流增益取決于晶體管的寬度和摻雜水平。

14、IGBT的結構是怎樣的？ IGBT 的結構與PMOSFET 的結構非常相似，除了稱為注入層的一層是 p+，與 PMOSFET 中的 n+ 襯底不同。該注入層是 IGBT 卓越特性的關鍵。其他層稱為漂移區(qū)和體區(qū)。這兩個連接點標記為 J1 和 J2。

15、IGBT有哪些優(yōu)勢？ IGBT 的優(yōu)點： 驅動電路簡單導通 電阻低 電壓容量高 開關速度快 易于驅動 開關損耗 低功耗 低柵極驅動要求低

16、為什么現在IGBT很流行？ 憑借其較低的導通電阻和傳導損耗以及在高頻下切換高壓而不會損壞的能力，絕緣柵雙極晶體管非常適合驅動電感負載，例如線圈繞組、電磁鐵和直流電機。

17、為什么IGBT要用二極管 我們知道MOSFET或IGBT是單向器件，它們只在正向偏置時導通電流，在反向偏置時阻斷電流。... 因此，在 MOSFET 或IGBT 或 SCR 兩端連接了一個外部二極管，以提供反向電流路徑。 ?

編輯：黃飛

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