汽车应用中的IGBT功率模块
车规IGBT模块封装趋势
车规IGBT模块封装趋势1引目前电动汽车主逆变器功率半导体技术，代表着中等功率模块技术的先进水平；电动车应用对功率半导体（目前主要为IGBT）模块的要求较高，总的来说：•高可靠性•高功率密度•成本优势要想搞清楚并且形象化电动汽车上用的功率模块到底追求什么，不妨先看看现在市场上应用的状况，正所谓八仙过海，各显神通2各显神通目前汽车厂商主流的几种模块应用解决方案，大概分为以下几种：分立器件；1 in 1；2in1 ；6in1；All in 1（这里4in1主逆变器用的少，先不说）下边，挨个捋一下：•分立器件：典型案例：Tesla Model X等设计非常经典巧妙，IGBT单管夹在散热水道两边，立体式设计节省空间；并且方便叠层母排布局，减小杂散电感；优点：成本低，集成度高，通用产品；缺点：设计复杂，热阻较大，散热效率不高•1 in 1典型案例一：Tesla Model 3比较新颖的封装形式，1 in 1这个名字很奇怪，为什么这种封装看起来像分立器件却被称为模块，直接叫分立器件不就完了。
其实这种说法的原因是其采用了模块的封装技术Model 3 单个小模块包含一个开关，内部两个SiC芯片并联，使用时多个小模块并联优点：散热效率高，设计布局灵活缺点：量产工艺要求很高典型案例二：德尔福Viper双面水冷散热Viper让德尔福在小型化上尝到了不少甜头，除了双面水冷之外，这款模块还取消了绑定线设计，提升了循环可靠性使用时，采用双面水冷典型的夹心饼干散热模式，非常诱人•2in1 模块包含两种：一种是灌胶模块封装，早期应用较多，例如下边这种，工业上也比较常见第二种是塑封，也是国际上有经验的厂商倾向于选择的形式，一方面功率密度较大，便于小型化设计；另一方面具有一定的成本优势早期使用单面间接水冷的半桥模块，博世产品上可以看到，后续主要的发展方向是双面水冷和单面直接水冷以丰田普锐斯4代PCU为例，摒弃之前的All-in-1结构，采用双面水冷半桥模块“插卡”式结构，设计巧妙的同时，极大提升散热效率，由此提升系统功率密度双面水冷内部结构：优点: 结构紧凑，散热效率高，塑封的可靠性高缺点：没有集成散热绝缘陶瓷，设计时跟散热器之前需要加隔离垫片•6 in 1目前应用最广泛的模块，尤其是国内汽车厂商，设计相对简单说到这，不能不提英飞凌的明星产品：HP DrivePin-Fin设计直接散热底板，显著提高功率模块散热效率，提高模块的功率密度，再加上模块化设计简单，很快在汽车领域风靡开来优点：设计简单，功率密度高，应用门槛低缺点：成本高针对Pin-Fin针翅成本高的问题，模块厂商正在开发低成本的直接水冷板，例如英飞凌的wave散热底板，在成本和散热性能之间做了折中•All in 1典型应用：丰田普锐斯系列以普锐斯第三代PCU为例，这款电装为丰田定制的功率系统，所有的IGBT和Diode被集成到一个AlN陶瓷板上，外观上看像一个大的功率模块3趋势1） 6 in 1模块虽然6In1模块对汽车来说并不是最优设计，但由于其设计应用的方便性，在短期内还将占据主流，技术上主要会在散热技术和可靠性尚下功夫改进点：•高导热陶瓷材料的应用，例如主流的Al2O3陶瓷更新Si3N4陶瓷•高导热材料底板的应用，例如高导热系数铝硅碳底板代替铜底板•银烧结技术的使用（Die与DBC、DBC与散热板）•铜绑定线乃至铜带绑定技术2）双面水冷封装双面水冷封装技术的优点一方面提升散热效率，另一方面夹心式的散热系统设计易于拓展，同时，相对于硅胶灌封模块，塑封的半桥模块又具有一定的量产成本优势相信未来一段时间会成为一个主流方向半桥单管3）单面直接水冷封装丹佛斯在PCIM Europe 2017上展示的Shower Power 3D技术，据称比Pin-Fin的散热能力还要优秀4）双面直接水冷封装如日立的插式双面水冷散热，已在奥迪e-tron量产，理论上，这种形式的封装散热效果相对于单面直接水冷是显而易见的4结各家模块厂商都有拿得出手的看家本领，不过多介绍汽车对功率模块可靠性、功率密度的高要求，催生车规级模块封装技术的不断进步并量产落地，相信到碳化硅时代，适应于碳化硅的新型封装技术会成为一个新的方向。
车规级IGBT简介
3
定制化服务
针对不同车型和不同能源系统的需求，提供定制 化的车规级IGBT解决方案将成为行业的重要发展 方向。
05
车规级IGBT的挑战与解决方案
技术挑战
01
02
03
高可靠性要求
车规级IGBT需要在高温、 高湿、高震动的环境下长 时间稳定工作，对可靠性 和稳定性要求极高。
快速开关响应
车规级IGBT需要具备快速 的开关响应速度，以满足 车辆控制系统对动力和制 动性能的需求。
车规级IGBT简介
汇报人： 2024-01-04
目录
• IGBT的基本介绍 • 车规级IGBT的特点 • 车规级IGBT的应用 • 车规级IGBT的市场前景 • 车规级IGBT的挑战与解决方
案
01
IGBT的基本介绍
IGBT的定义
IGBT（绝缘栅双极晶体管）是一种复合晶体管，由金属-氧化 物-半导体场效应管（MOSFET）和双极晶体管（BJT）组合 而成。
IGBT的优点
01
02
03
04
高速开关能力
IGBT具有快速的开关速度， 能够实现高频率的开关转换。
低通态压降
在导通状态下，IGBT的通态 压降较低，能够降低能源损耗
。
耐高温性能
IGBT能够在高温环境下稳定 工作，适用于高温环境下的应
用。
可靠性高
IGBT的结构简单，可靠性高 ，寿命长。
02
车规级IGBT的特点
优化设计
通过优化设计和制程工艺，提高车规级IGBT的开关响应速度和 效率。
降低成本
通过优化供应链管理和规模化生产，降低车规级IGBT的材料成 本和研发成本。
THANKS
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IGBT应用领域
虽然相较于MOSFET、电源管理IC来说，IGBT占中国功率半导体市场份额很小。
但下游需求的持续扩张刺激了中国IGBT市场保持快速增长。
2005年中国IGBT市场销量达到1.33亿个，销售额达到23.0亿元。
目前IGBT主要应用领域包括工业控制、消费电子、计算机、网络通信、汽车电子。
在汽车电子市场中IGBT已经代替达林顿管成为汽车点火器的首选器件。
随着IGBT在汽车点火器中的应用从一个或两个IGBT作为几个汽缸的若干线圈点火，转变为每个汽缸都有一个IGBT和线圈，IGBT使用数量快速增长。
在计算机和网络通信领域中IGBT 广泛应用在大功率服务器（大于1000W）、UPS电源以及大功率基站中（大于1000W）。
1、工业控制和消费电子是IGBT应用的两大支柱领域凭借着较高的单价，工业控制用IGBT在销售量低于消费电子的情况下销售额实现反超IGBT是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。
IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。
鉴于IGBT的参数特性，IGBT开发之初主要应用在电机、变换器（逆变器）、变频器、UPS、EPS电源、风力发电设备等工业控制领域。
在上述应用领域中IGBT凭借着电压控制、驱动简单，开关频率高、开关损耗小，可实现短路保护等优点在600V及以上中压应用领域中竞争力逐步显现，在UPS、开关电源、电车、交流电机控制中已逐步替代GTO、GTR。
由于SCR和GTO具有极高的耐压能力和较大的通过电流，目前在高压大电流应用中SCR和GTO仍占有统治地位。
但由于风力发电设备、电机、变频器、UPS电源等IGBT主要应用产品产量远不能和消费电子产品相比，所以工业控制领域中对IGBT的需求量远低于消费电子位于第二位。
但工业产品中要求IGBT具有较高的耐压性、较大的工作电流以及高稳定性。
同时工控产品对于价格压力要远小于消费电子产品，工业控制用IGBT的价格相对较高。
02.02-车用IGBT器件技术概述
双极结型晶体管 金属-氧化物-半导体场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管
BJT
MOSFET
IGBT
2020-11-20
4
1.2 IGBT的应用
IGBT因大容量(>MW)、高开关速度(~100kHz)等优势，一经问世，便在白色家电、 新能源、工业变频、轨道交通、电网等领域得到广泛的应用。
功率/W
100M
Si GTO
- AEC Q101，The Automotive Electronics Council，Q101为汽车级半导体分立 器件应力测试，主要对汽车分立器件、元器件标准规范要求，其中规定了性能参数、 可靠性及机械的各种测试及评估。---车规分立器件评估
- AQG324：由ECPE（ European Center for Power Electronics）"汽车电力电 子模块认证"工作组颁布，其制定了完善的车规级功率模块可靠性试验，可以有效验 证产品可靠性，指导厂商更深入了解其产品可靠性能，从而加快产品开发速度，优化 工艺流程。---车规功率模块评估
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3.2 加速模型
实际应用中，器件的寿命需求为几年到几十年，因此需要在较高的应力和较短的测试 时间内完成评估，即进行加速测试。
根据测试目的不同，采用不同的加速模型，所有的器件需要进行工作点测试 （Stress），即设置测试工作点比实际应用工作点（OP）高。常见的有：
- Arrheninus Model（阿氏加速模型）：
Note: 1）芯片面积越大，热阻越小； 2）热阻并非恒定值，受脉宽、占空比等影响； 3）对于新能源汽车直接冷却，热阻受冷却液流速的影响；
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IGBT在新能源汽车中的应用(上)
◆文/山东 刘春晖IGBT 在新能源汽车中的应用(上)近年来，新型功率开关器件IGBT(图1)已逐渐被人们所认识，IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件(图2)，IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor的缩写形式，是绝缘栅双极型晶体管。
与以前的各种电力电子器件相比，IGBT具有以下特点：①高输入阻抗，可采用通用低成本的驱动线路；②高速开关特性，导通状态低损耗。
IGBT兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
简单讲，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看作导线，断开时当作开路。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，是一种适合于中、大功率应用的电力电子器件，IGBT在综合性能方面占有明显优势，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
图1 IGBT外形一、IGBT的应用领域及现状1.IGBT的应用领域IGBT是能源转换与传输的核心器件，是电力电子装置的“CPU”。
IGBT是一种大功率的电力电子器件，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看作导线，断开时当作开路。
三大特点就是高压、大电流、高速。
它是电力电子领域非常理想的开关器件，不同公司的IGBT如图3所示。
采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率和质量，具有高效节能和绿色环保的特点，是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。
IGBT的应用领域很广，如工业领域中的变频器，家用电器领域的变频空调、洗衣机、冰箱，轨道交通领域的高铁、地铁、轻轨，军工航天领域的飞机、舰艇以及新能源领域的新能源汽车、风力发电等都有非常广泛的应用。
1.车载IGBT模块的基本概念
(a)SnSb系列焊锡
(b)SnAg系列焊锡
图1-9SnSb系列焊锡和SnAg系列焊锡的温度循环试验后的裂痕扩展比较 （执行温度循环2,000cycle后的超声波探伤图像）
主IGBT
MT5F35464
© Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved.
IGBT
二极管
RC-IGBT
发射极 栅极 控制器
正极 栅极 负极
发射极
控制器
图1-4RC-IGBT的基本概念 与传统IGBT相比，RC-IGBT的特征是VCE(sat)-Eoff性能优越。如以下示意图所示，将芯片下方的IGBT 集电极(P+层)和FWD的负极(N+层)连接形成的共集电极结构，使得关断动作期间，电子和空穴很容易 进行迁移，与传统产品相比，降低了关断损耗。
MT5F35464
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1-7
7.型号内容
以6MBI800XV-075V-01为例，如图1-10所示为车载IGBT模块的型号内容。
6 MB I 800 X V - 075 V - 01
(1)
(1)元件数 (2)机型 (3)绝缘型 (4)最大电流 (5)芯片代数 (6)公司内部识别编号 (7)元件额定电压 (8)汽车级产品 (9)公司内部识别编号
Aa
27(A5) 28(K5) 30(G5) 26(S5) 29(E5)
Aa
Ka Ga Sa Ea Eb Gb
Ka Ga Sa Ea Eb Gb
Ka Ga Sa Ea Eb Gb
U
等效电路
4(A2) 5(K2) 1(G2) 3(S2) 2(E2)
车规级IGBT简介演示
汇报人： 2024-01-08
目录
• IGBT简介 • 车规级IGBT的特点与优势 • 车规级IGBT的应用实例 • 车规级IGBT的未来发展 • 结论
01
IGBT简介
IGBT定义
01
IGBT是绝缘栅双极晶体管的简称 ，是一种复合全控型电压驱动式 功率半导体器件。
02
它结合了晶体管和绝缘栅场效应 管的优点，具有高输入阻抗、低 导通压降、低开关损耗等特点。
在电机控制中，IGBT可以控制电机的启动、停止和速度调节 ；在充电系统中，IGBT可以实现高效的充电和放电；在发动 机控制中，IGBT可以精确控制燃油喷射和点火时间。
02
车规级IGBT的特点与优势
车规级IGBT的特点与优势
• 车规级IGBT（绝缘栅双极晶体管）是一种广泛应用于汽车 领域的电力电子器件。它具有高效能、高可靠性、耐高温 和长寿命等特点，是新能源汽车和传统汽车中极为关键的 元件之一。
IGBT工作原理
IGBT在工作时，通过控制输入端晶 体管的栅极电压来控制输出端晶体管 的通断，从而实现电压和电流的调节 。
当输入端晶体管的栅极电压为高电平 时，输出端晶体管导通，电流从源极 流向漏极；当栅极电压为低电平时， 输出端晶体管截止，电流截止。
IGBT在汽车中的应用
在汽车中，IGBT主要用于电机控制、充电系统、发动机控制 等领域。
04
车规级IGBT的未来发展
车规级IGBT的未来发展
• 车规级IGBT（绝缘栅双极晶体管 ）是一种广泛应用于汽车电子系 统的功率半导体器件。它能够实 现高效率、高功率密度的电能转 换，是新能源汽车、电机驱动、 充电设施等领域的核心元件。本 演示文稿将简要介绍车规级IGBT 的基本原理、应用场景、技术发 展趋势以及市场前景。
IGBT的主要应用领域_IGBT国内外市场规模
IGBT的主要应用领域_IGBT国内外市场规模IGBT(绝缘栅双极型晶体管），是由BJT(双极结型晶体三极管) 和MOS(绝缘栅型场效应管) 组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件,其具有自关断的特征。
简单讲，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。
IGBT融合了BJT和MOSFET的两种器件的优点，如驱动功率小和饱和压降低等。
IGBT模块是由IGBT与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点。
▲IGBT模块简图IGBT是能源转换与传输的核心器件，是电力电子装置的“CPU”。
采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率和质量，具有高效节能和绿色环保的特点，是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。
IGBT是以GTR为主导元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件。
其外部有三个电极，分别为G-栅极，C-集电极，E-发射极。
在IGBT使用过程中，可以通过控制其集-射极电压UCE和栅-射极电压UGE的大小，从而实现对IGBT导通/关断/阻断状态的控制。
1）当IGBT栅-射极加上加0或负电压时，MOSFET内沟道消失，IGBT呈关断状态。
2）当集-射极电压UCE＜0时，J3的PN结处于反偏，IGBT呈反向阻断状态。
3）当集-射极电压UCE＞0时，分两种情况：②若栅-射极电压UGE＜Uth，沟道不能形成，IGBT呈正向阻断状态。
②若栅-射极电压UGE＞Uth ，栅极沟道形成，IGBT呈导通状态（正常工作）。
此时，空穴从P+区注入到N基区进行电导调制，减少N基区电阻RN的值，使IGBT通态压降降。
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