什么是IGBT？結(jié)構(gòu)解釋和拆解

來(lái)源：艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)

IGBT （絕緣柵雙極晶體管）作為一種功率半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于軌道交通、智能電網(wǎng)、工業(yè)節(jié)能、電動(dòng)汽車(chē)和新能源裝備等領(lǐng)域。具有節(jié)能、安裝方便、維護(hù)方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)。它是能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)暮诵难b置。簡(jiǎn)單概括一下，IGBT可以說(shuō)是MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）和BJT的結(jié)合體（雙極結(jié)型晶體管）。即它結(jié)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(lái)達(dá)到大電流的目的（壓控雙極型器件）。那么這樣的組合內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的呢？

一、IGBT模塊詳解

二、IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)

三、IGBT 內(nèi)部電流流動(dòng)

四、如何拆卸IGBT模塊？

五、常見(jiàn)問(wèn)題

• 一、IGBT模塊詳解

以拆解的IGBT模塊型號(hào)為：FF1400R17IP4為例。模塊外觀及等效電路如圖1所示。本模塊長(zhǎng)寬高分別為：25cmx8.9cmx3.8cm。模塊包含兩個(gè)IGBT，也就是我們常說(shuō)的半橋模塊。每個(gè)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(mén)極驅(qū)動(dòng)電路。

6、7為NTC熱敏電阻，用于溫度檢測(cè)或過(guò)溫保護(hù)。

在大致了解了它的結(jié)構(gòu)之后，我們可以用這種結(jié)構(gòu)的黑色模塊做什么呢？舉一個(gè)我們身邊的例子：新型電動(dòng)汽車(chē)，大家應(yīng)該都不陌生了。三個(gè)這樣的黑色模塊可以用作三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。如果配備電池，它可以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)公交車(chē)。當(dāng)然，這個(gè)模塊也用在很多其他的應(yīng)用中。

圖 2. 電動(dòng)客車(chē)中的 IGBT

二、IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在初步了解了IGBT模塊的外部結(jié)構(gòu)和應(yīng)用之后，讓我們進(jìn)入本文的主題，看看這個(gè)高科技黑模塊的內(nèi)部是什么樣的。圖3是去掉黑色外殼的IGBT模塊內(nèi)部圖。需要注意的是，最常見(jiàn)的銅和鋁都在IGBT模塊內(nèi)部。

圖 3. IGBT 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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(gè)元件，其余主要是焊層和互連線(xiàn)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(duì)每個(gè)部分進(jìn)行簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。由于銅具有更好的導(dǎo)熱性，因此基板通常由銅制成，厚度為3-8mm。當(dāng)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(diǎn)。

② DBC

DBC（Direct Bond Copper）是一種陶瓷表面金屬化技術(shù)，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(jiǎn)單的說(shuō)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(dǎo)熱性，同時(shí)還要提供一定的電流傳輸能力。DBC基板類(lèi)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(nèi)部有6個(gè)DBC，每個(gè)DBC有4個(gè)IGBT芯片和2個(gè)Diode芯片。其中2個(gè)IGBT芯片和1個(gè)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(nèi)部使用的IGBT 芯片型號(hào)為：IGCT136T170。該手冊(cè)可從英飛凌官網(wǎng)下載。圖7為IGBT芯片俯視圖及基本參數(shù)。IGBT的柵極和****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(guò)，所以這種結(jié)構(gòu)的IGBT也可以稱(chēng)為立式器件。

圖 7. IGBT 芯片圖

如果在200um的芯片上做一個(gè)垂直切割，可以得到如圖8所示的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它是由不同摻雜的P型或N型半導(dǎo)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(kāi)始學(xué)習(xí)電力電子的時(shí)候，你可能會(huì)覺(jué)得這張圖有點(diǎn)陌生。為什么不把集電極畫(huà)在上面，****極畫(huà)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(jié)構(gòu)和等效電路

下面就讓我們對(duì)這款I(lǐng)GBT芯片的電氣參數(shù)有個(gè)大概的了解吧。該芯片在 100°C 時(shí)可以通過(guò) 117.5A 的直流電流。從圖4可以看出，模塊內(nèi)部單個(gè)IGBT器件一共包含12個(gè)IGBT芯片，所以總電流為：117.5*12=1412A，與IGBT模塊手冊(cè)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(gè)芯片的柵極內(nèi)部集成了一個(gè)11.5Ω的電阻。同時(shí)，考慮到DBC之間的均流，每個(gè)DBC上的兩個(gè)芯片對(duì)外共用一個(gè)柵極電阻，如圖10所示，用萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)，阻值約為4.13Ω?？梢越Y(jié)合圖9計(jì)算一下，看是否與IGBT模塊手冊(cè)中的1.6Ω一致。當(dāng)然，更詳細(xì)的IGBT芯片參數(shù)可以參考官方手冊(cè)。

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(yáng)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(gè)二極管并聯(lián)組成，總電流可達(dá)1410A，與模塊說(shuō)明書(shū)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(xì)的二極管芯片參數(shù)請(qǐng)參考官方手冊(cè)。

圖 10.二極管圖

這么薄的半導(dǎo)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(dǎo)體器件的價(jià)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(guò)焊線(xiàn)實(shí)現(xiàn)。常用的鍵合線(xiàn)有鋁線(xiàn)和銅線(xiàn)。其中，鋁線(xiàn)鍵合工藝成熟，成本低，但鋁線(xiàn)鍵合的電學(xué)和熱力學(xué)性能差，膨脹系數(shù)失配大，影響IGBT的使用壽命。銅線(xiàn)鍵合工藝具有優(yōu)良的電學(xué)和熱力學(xué)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(nèi)部電流流動(dòng)

在對(duì)IGBT模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了基本的了解之后，讓我們回過(guò)頭來(lái)將上述所有元件互連起來(lái)，看看電流在IGBT模塊內(nèi)部是如何流動(dòng)的。這里我們以其中一個(gè)DBC中的上管IGBT為例來(lái)說(shuō)明電流的流動(dòng)。紅色代表上管IGBT（S1和S2）的電流方向，藍(lán)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(huì)好奇這個(gè)模塊怎么拆，其實(shí)很簡(jiǎn)單。你只需要準(zhǔn)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(kāi)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(kāi)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(duì)準(zhǔn)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(kāi)外殼用螺絲刀從基板上。撬開(kāi)一個(gè)位置后，放上東西，再撬另一個(gè)位置，如此反復(fù)，慢慢撬開(kāi)后，直接用手撬開(kāi)即可。

五、常見(jiàn)問(wèn)題

1、什么是IGBT模塊？

IGBT 是一種功率半導(dǎo)體芯片，是絕緣柵雙極晶體管的簡(jiǎn)稱(chēng)。... IGBT 功率模塊用作電子開(kāi)關(guān)設(shè)備。通過(guò)交替開(kāi)關(guān)，直流電 (DC) 可以轉(zhuǎn)換為交流電 (AC)，反之亦然。

2、IGBT模塊是如何工作的？

IGBT 結(jié)合了功率 MOSFET 的簡(jiǎn)單柵極驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)的雙極功率晶體管組合在單個(gè)器件中。

3、IGBT的用途是什么？

IGBT 在單個(gè)器件中結(jié)合了具有MOS 結(jié)構(gòu)的控制輸入和用作輸出開(kāi)關(guān)的雙極功率晶體管。IGBT 適用于高電壓、高電流應(yīng)用。它們旨在以低功率輸入驅(qū)動(dòng)高功率應(yīng)用。

4、IGBT有幾層？

IGBT 的工作原理：IGBT由 4 層半導(dǎo)體夾在一起構(gòu)成。靠近集電極的層是 p+ 襯底層，上面是 n- 層，另一個(gè) p 層靠近****極，在p 層內(nèi)部，我們有 n+ 層。

5、IGBT的端子有哪些？

IGBT的三個(gè)端子是Gate、 Collector和Emitter。

6. Mosfet有多少個(gè)端子？

MOSFET 有四個(gè)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(chēng)為注入層，因?yàn)樗騨-層注入空穴。n層稱(chēng)為漂移區(qū)。接下來(lái)的p層稱(chēng)為IGBT的本體。p+ 和 p 區(qū)域之間的 n- 層用于容納 pn- 結(jié)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(gè) IGBT 器件可以替代并聯(lián)運(yùn)行的多個(gè) MOSFET或當(dāng)今可用的任何超大型單功率 MOSFET。

9. IGBT 的三個(gè)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(chēng)為****極（E）、集電極（C）和柵極（G）。它的兩個(gè)終端即集電極和****極與電導(dǎo)路徑相關(guān)聯(lián)，其余終端“G”與其控制相關(guān)聯(lián)。

10. 什么是 IGBT 描述其結(jié)構(gòu)？

IGBT –原理、類(lèi)型、結(jié)構(gòu)、操作和應(yīng)用。... IGBT（絕緣柵雙極晶體管）將 BJT 和 MOSFET 的最佳部分集成到單個(gè)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(zhuǎn)換為交流電？

IGBT充當(dāng)開(kāi)關(guān)（當(dāng)信號(hào)施加到柵極時(shí)，它們打開(kāi)，然后在信號(hào)移除時(shí)關(guān)閉）。通過(guò)關(guān)閉 Q1 和 Q4，向負(fù)載施加正直流電源。Q2和 Q3 將在負(fù)載上產(chǎn)生負(fù)直流電源。

12、IGBT有什么優(yōu)勢(shì)？

IGBT 相對(duì)于功率 MOSFET 和 BJT 的主要優(yōu)勢(shì)是：由于電導(dǎo)率調(diào)制，它具有非常低的導(dǎo)通電壓降，并且具有出色的導(dǎo)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(chǎng)或電荷移動(dòng)）

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(jié)構(gòu)是怎樣的？

IGBT 的結(jié)構(gòu)與PMOSFET 的結(jié)構(gòu)非常相似，除了稱(chēng)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(guān)鍵。其他層稱(chēng)為漂移區(qū)和體區(qū)。這兩個(gè)連接點(diǎn)標(biāo)記為 J1 和 J2。

15、IGBT有哪些優(yōu)勢(shì)？

IGBT 的優(yōu)點(diǎn)：

驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單導(dǎo)通

電阻低

電壓容量高

開(kāi)關(guān)速度快

易于驅(qū)動(dòng)

開(kāi)關(guān)損耗

低功耗

低柵極驅(qū)動(dòng)要求低

16、為什么現(xiàn)在IGBT很流行？

憑借其較低的導(dǎo)通電阻和傳導(dǎo)損耗以及在高頻下切換高壓而不會(huì)損壞的能力，絕緣柵雙極晶體管非常適合驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載，例如線(xiàn)圈繞組、電磁鐵和直流電機(jī)。

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(shí)導(dǎo)通電流，在反向偏置時(shí)阻斷電流。... 因此，在 MOSFET 或IGBT 或 SCR 兩端連接了一個(gè)外部二極管，以提供反向電流路徑。