当前位置： 绝缘栅 >> 绝缘栅市场 >> 揭秘未来动力之选IGBT与SiC技术引领
作为一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，IGBT巧妙融合了MOSFET的高输入阻抗与GTR的低导通压降，展现出驱动功率小且饱和压降低的显著优势。正因如此，IGBT特别适用于直流电压达到V及以上的变流系统，涵盖交流电机、变频器、开关电源、照明电路以及牵引传动等多个领域。IGBT的应用广泛而深入，涵盖了诸多领域。在电力电子设备方面，IGBT被广泛应用于直流电机驱动器、电动车、变频器等，其控制方法显著提升了电力电子设备的效率和精度。同时，IGBT在电网中的应用也日益广泛，助力调节和平衡电网负载。汽车工业同样是IGBT的重要应用领域。在混合动力车和电动汽车中，IGBT被用于电池管理、电机控制、制动和充电等多个环节，其高性能使得电动汽车的电机转速、电池充放电以及车速控制更加精准。
此外，风力涡轮机和太阳能电池板中的IGBT也发挥着关键作用。它们通过控制电力变换器和磁通调节器，优化电机的速度和输出功率，同时确保电池板的电压和电流处于最佳状态，从而实现高效的电力输出。
高速列车领域也离不开IGBT的支撑。它被用于列车的电机和变速器控制，以及能量优化和轨道安全保障，确保高速列车的稳定运行。
值得一提的是，IGBT在智能电网中的应用同样不可或缺。从发电到用电的各个环节，如风力发电、光伏发电中的整流器和逆变器，特高压直流输电中的FACTS柔性输电技术，以及电力电子变压器等，IGBT都发挥着至关重要的作用。
综上所述，IGBT作为一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，其应用广泛而多样，从电力电子设备到汽车工业，再到新能源领域，都离不开它的支撑。IGBT的内部结构是一个四层半导体器件其核心构造融合了PNP和NPN晶体管，形成了PNPN的排列方式。最底层的(p+)衬底，也被称为注入区，与集电极区域相连，主要负责为N漂移区提供空穴（正电荷载流子）。紧接着是N漂移区，它由N型半导体材料构成，其厚度是决定IGBT电压阻断能力的重要因素。在IGBT关断时，这个区域需要承受大部分的反向电压。再往上就是(p)基板构成的主体区域，它靠近发射极，与N漂移区共同构成了IGBT的核心结构。而在主体区域的内部，还设置有(n+)层，进一步优化了IGBT的性能。
IGBT的工作原理依赖于其独特的结构当施加正向栅极电压时，会在N漂移区形成沟道，从而为PNP晶体管提供基极电流，使IGBT进入导通状态。相反，施加反向门极电压会消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。这种开关特性使得IGBT在电力电子设备中发挥着至关重要的作用。
IGBT还具有诸多优越特性，如节能、安装维修便捷以及散热稳定等其电压阻断能力主要取决于N漂移区的厚度。更为重要的是，IGBT模块可以直接应用于变频器、UPS不间断电源等关键设备中，进一步拓展了其应用范围。
IGBT的应用领域广泛，特别是在直流电压达到V及以上的变流系统中如轨道交通、智能电网、航空航天以及电动汽车与新能源装备等领域。在电动汽车中，IGBT的应用尤为关键，它能够精确控制电机转速、实现电池的充电与放电管理，以及确保电动机转速与车速的同步。
根据不同的结构特点，IGBT可以分为穿通IGBT（PT-IGBT）和非穿通IGBT（NPT-IGBT）两大类穿通IGBT在发射极接触处具有N+区，呈现出非对称的电压阻断能力，特别适用于直流电路。而非穿通IGBT则结构对称，没有额外的N+区域，更适合应用于交流电路。这两种类型的IGBT各有千秋，共同推动了IGBT技术的不断进步与应用领域的持续拓展。主体区（p）：位于N漂移区之上的是p型主体区，也被称为基区。这个区域主要采用p型半导体材料，与IGBT的发射极相邻。在主体区的内部，还巧妙地设置了n+层，以便与发射极区域相连结。
发射极（n+）：IGBT的最上端是n+发射极区域，它作为IGBT的电流输出端口，通过金属层与外部电路相连通。
IGBT的栅极结构则坐落于p型主体区之上，并通过一层二氧化硅（SiO2）与主体区相隔离。栅极的作用是控制IGBT的开关状态。当栅极上施加正电压时，p型主体区下方会形成一条导电沟道，使得n+发射极与N漂移区之间能够顺畅导电，IGBT因此进入导通状态。相反，若栅极上施加的是负电压或零电压，则导电沟道会消失，IGBT便转入关断状态。
IGBT模块的封装技术同样至关重要。这一技术涉及将IGBT芯片、DBC（DirectBondedCopper，直接键合铜）基板、散热片等组件综合在一起，以构建出性能稳定、散热高效且可靠性强的IGBT模块。其中，DBC基板的焊接技术与键合技术是封装过程中的关键环节。焊接质量直接影响模块的运行稳定性和传热性能，而键合技术的恰当与否则关系到电流的均匀分布，进而影响模块的耐用性。散热技术：IGBT模块的散热性能至关重要它直接影响模块的最高工作结温和功率密度。为了提升散热性能，可以采取多种措施，例如优化芯片间的连接方式，改进散热结构，选用更合适的DBC板/基板材料，以及改进焊接/烧结工艺等。
封装材料选择：封装材料必须具备耐高温、抗变形、防潮、防腐蚀等特性以确保IGBT模块在各种恶劣环境下都能稳定工作。
封装工艺控制：IGBT模块的封装过程涉及多道工序如清洗、烘干、焊接、键合和封装等。每一步都需要严格把控工艺参数，以确保最终的封装质量。
IGBT基础知识：IGBT，即绝缘栅双极型晶体管是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件。它融合了MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降的优点。IGBT的内部结构是一个四层半导体器件，通过组合PNP和NPN晶体管来实现PNPN的排列。其工作原理是依靠加在栅极上的电压来控制沟道的形成与消失，从而实现IGBT的导通与关断。IGBT模块广泛应用于变频器、UPS不间断电源等设备中，以其节能、便于安装维修和稳定的散热性能而受到青睐。应用领域：IGBT模块在多个领域都有广泛的应用特别是在直流电压为V及以上的变流系统。例如，在轨道交通、智能电网、航空航天以及电动汽车与新能源装备等领域，IGBT都发挥着至关重要的作用。在电动汽车中，IGBT模块被用于控制电机转速、管理电池的充电和放电，以及实现电动机转速与车速的同步。
类型：IGBT模块根据其结构特点，可以分为穿通型IGBT（PT-IGBT）和非穿通型IGBT（NPT-IGBT）穿通型IGBT在发射极接触处具有N+区域，呈现出非对称的电压阻断特性，因此更适合用于直流电路。而非穿通型IGBT则没有额外的N+区域，其结构呈现出对称性，更适用于交流电路。
内部结构：IGBT模块的内部结构是一个四层半导体器件它由p+衬底开始，上面依次是N漂移区、p型主体区和n+发射极区域。其中，N漂移区是IGBT承受反向电压的主要区域，其厚度决定了IGBT的电压阻断能力。而p型主体区则通过与发射极的连接，形成了控制IGBT开关状态的关键导电沟道。
栅极结构：IGBT模块的栅极位于p型主体区之上并通过一层二氧化硅与主体区隔离。栅极通过施加正电压来控制导电沟道的形成与消失，从而实现IGBT的导通与关断。这种结构使得IGBT能够在高电压、大电流的条件下实现快速、可靠的开关控制。
综上所述，IGBT模块以其独特的结构和优越的性能，在多个领域都发挥着不可或缺的作用。随着电力电子技术的不断发展，IGBT模块的应用前景将更加广阔。IGBT模块封装技术涵盖了多个关键环节，包括DBC基板焊接、键合技术、散热技术、封装材料选择以及封装工艺控制等。这些技术的完美结合，确保了IGBT模块在性能稳定、散热效率及可靠性方面的卓越表现。同时，IGBT芯片制造技术也扮演着至关重要的角色，它直接决定了IGBT模块的性能上限。常用的IGBT制造材料包括硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等，其中硅是目前应用最广泛的基础材料。在制造过程中，首先通过CZ（Czochralski）方法从单晶硅棒中生长出所需尺寸和厚度的硅晶体。接着，将生长好的硅晶体切割成晶圆，并进行多次清洗以去除表面的杂质和污染物。对于高性能IGBT的制造，可能需要在晶圆上进行外延生长，以形成具有特定结构和性能的硅层。之后，通过离子注入或气相扩散等方法在晶圆中注入掺杂材料，以形成N型和P型半导体区域，这些区域将构成IGBT的不同部分。接下来，使用光刻技术在晶圆上形成所需的电路图案，并通过蚀刻技术去除不需要的材料部分，从而形成电路结构。完成电路结构后，需要在晶圆上沉积金属层以连接电路并形成外部引脚。制造完成后，对IGBT芯片进行电学测试和筛选，以确保其性能和可靠性符合要求。最后，将制造好的IGBT芯片放入封装器件中，通过焊接、包封等工艺使芯片与外部电路连接，并保护芯片免受外部环境的影响。此外，SiC（碳化硅）IGBT相较于传统的硅基IGBT具有显著优势，在特定应用领域中表现出色。SiCIGBT相较于传统的硅基IGBT，具有显著的优势。其高绝缘击穿场强是硅的0倍，意味着在更高的电压下工作也不会发生击穿，从而显著提高了器件的耐压能力。同时，SiC的带隙是硅的3倍，这使其在高温环境下能保持出色的稳定性，进而提升了SiCIGBT的热稳定性和可靠性。此外，SiC器件可以在比硅器件更高的温度下工作，这不仅减少了冷却需求和系统成本，还在高温环境中展现出更为卓越的性能。
在应用领域方面，SiCIGBT也表现出广泛的应用前景。例如，在电动汽车和混合动力汽车中，SiCIGBT能显著提高主逆变器的效率和功率密度，降低冷却需求和电池容量，从而延长电动汽车的续航里程并降低成本。同时，它在电力因数校正、直流/直流转换器以及高频逆变器等设备中也发挥着关键作用，通过提高效率和性能，减少能量损耗，满足各种高效电能转换的需求。
尽管SiCIGBT的内部结构与传统的硅基IGBT相似，但采用碳化硅材料所带来的优异特性使其在性能上更胜一筹。这些特性包括高绝缘击穿场强、宽带隙、高温稳定性等，共同赋予了SiCIGBT在高温、高电压环境下稳定工作的能力。四层半导体结构：SiCIGBT的内部构造类似于硅基IGBT，同样采用PNPN四层结构，包括p+衬底（注入区）、N漂移区、p主体区和n+发射区。
栅极与开关控制：其栅极位于p主体区之上，并通过一层二氧化硅（SiO2）与主体区进行隔离。栅极的功能是控制IGBT的通断。施加正电压时，p主体区将形成导电沟道，使得n+发射极与N漂移区相连通，IGBT因此处于导通状态。相反，施加负电压或零电压时，导电沟道将消失，IGBT则转为关断状态。
PN结的影响：不同于硅基IGBT，SiCIGBT的背面通常配备一个PN结。这一结构差异会对SiCIGBT的电导调制效应和导通电阻产生影响，有时甚至可能成为性能上的限制因素。
散热结构设计：得益于SiC材料的高热导率，SiCIGBT通常展现出优异的散热性能。然而，为了进一步提升散热效率，设计师们通常会采用诸如散热基板、DBC（直接键合铜）基板等特殊散热结构。
