什么是IGBT？
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，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材， 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的长处。GTR饱满压下降，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归纳了以上两种器材的长处，驱动功率小而饱满压下降。十分合适运用于直流电压为600V及以上的变流体系如沟通电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等范畴。IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与FWD（续流二极管芯片）经过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品；封装后的IGBT模块直接运用于变频器、UPS不间断电源等设备上；IGBT模块具有节能、设备修理便利、散热安稳等特色；当时商场上出售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块；跟着节能环保等理念的推进，此类产品在商场大将越来越多见；IGBT是动力改换与传输的中心器材，俗称电力电子设备的“CPU”，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动轿车与新动力配备等范畴运用极广。
怎样用IGBT模块完成双面水冷？这项技能又有何意义？
Infineon 的德国团队和美国团队（前IR团队）宣布了两篇关于双面水冷的IGBT模块的相关规划及测验成果。原文标题如下
“Dual-sided Cooling for AutomoTIve Inverters – PracTIcal ImplementaTIon with Power Module”
从运用视点而言，双面水冷技能（DSC）的开发便是根据新动力轿车（纯电动及混动）的运用考虑，首要为了处理车载逆变器功率密度的问题。图1给出其根本结构，比较现有IGBT模块，芯片上层的DCB构成第二条散热通道，用于改进模块的散热作用。
图2 的样品相片，模块的尺度较小，顶部和底部经过DCB陶瓷基板直接和散热器触摸，强电和弱电端子散布在芯片的前后两边。
作为双面水冷模块，其塑封资料不同温度下的机械一致性首要需求确保，22、150摄氏度下的模块外表平整度较好，一起防潮功用也比较优异。
因为添加了模块顶部的散热通道，散热作用剋进步70%，需求留意的是，热阻值随外表影响较大，要到达最佳的热阻，800N的压力这条的确也吓了笔者一跳。
因为去除了传统规划中的铜底板，模块的热容明显减小，其热耦合功用大幅进步，根本只在热源邻近的芯片温度较高。一起，新的DSC模块还伴跟着寄生电感和封装电阻的明显下降，寄生电感只要13nH。
此外，模块还集成了电流和温度传感器，便于完成芯片电流、温度的检测，这条与惯例芯片倒没有特别的差异。电流检测根本都在百毫伏范围内。
比较德国团队的作业，前IR团队的研讨重心则放在了与之配套的水冷散热的计划完成和功用测验上。图4给出了对应的水冷散热器计划。
散热器内部仍是运用经典的Pin-Fin散热计划，水冷规划的要点包含流量的均恒，散暖流族 约束下的Pin针形状和巨细的优化规划。根据相同的总流量假定，双面水冷较之单面水冷，热阻能够减小32%，一起水路压降下跌也只要其35%。一起，关于双面散热，仅增大27.5%的压力，就能获得双倍于单面水冷的总散暖流量。
仿真成果显现，单面水冷下220摄氏度节温的模块选用双面水冷后节温只要175摄氏度。
针对着这种双面散热，其温度丈量需求做必定修正，如添加相应的开孔及夹具固定。热测验的成果也印证了前文的规划和仿真成果 ，其间稳态热阻将到达30~40%的下降。一起能够发现，模块的热时间常数只要1.5s，大巨细于带铜底板的惯例IGBT模块。
最终通电试验显现，平等条件下，选用双面水冷散热后，输出功率能够添加30%以上。作者一起预言假如选用更优化的水冷版规划，逆变器的电流才能能够添加50%乃至更多。
IGBT在未来的开展，以及开展趋势：
IGBT作为电力电子范畴十分抱负的开关器材，各种新结构、新工艺及新资料技能还在不断涌现，推进着IGBT芯片技能的开展，其功耗不断下降，作业结温不断升高，从125℃进步到了175℃并向200℃跨进，并能够在芯片上集成体二极管，构成逆导IGBT（RC-IGBT/BIGT），无需再反并联续流二极管，在相同的封装尺度下，可将模块电流进步30%，还能够将电流及温度传感器集成到芯片内部，完成芯片智能化，如图所示。
经过对IGBT芯片的边际结构进行阻隔处理，能够构成具有双向阻断才能的IGBT（RB-IGBT），在双向开关运用中无需再串联二极管，并具有更小的漏电流及更低的损耗 。
超结技能（super juncTIon）打破了传统硅器材的导通压降与耐压的极限联系（Ron∝VB2.5），可大大下降器材功耗，已成功运用在MOSFET上。将该技能运用在IGBT上，则能够进一步下降功耗，现在已遭到广泛的重视。超结IGBT的首要难点是工艺完成，为了下降工艺难度，各种“半超结”结构被提出，完成功用与工艺的折中。
与此一起，IGBT的工艺水平也在不断进步，许多先进工艺技能，如离子注入、精密光刻等被运用到IGBT制作上。IGBT芯片制作过程中的最小特征尺度已由5um，到3um， 到1um，乃至到达亚微米的水平。选用精密制作工艺能够大幅进步功率密度，一起能够下降结深，减小高温扩散工艺，从而使选用12英寸乃至更大尺度的硅片来制作IGBT成为可能。跟着薄片与超薄片加工工艺的开展，英飞凌在8英寸硅片上制作了厚度只要40um的芯片样品，不久的未来有望完成产品化运用。
此外，新资料如宽禁带半导体资料技能的开展，能够完成更低功耗、更大功率容量、更高作业温度的器材，其间SiC成为现在的大功率半导体的首要研讨方向，并在单极器材上完成商品化，在IGBT等双极器材的研讨上也不断获得开展。现在IGBT首要受制作工艺及衬底资料的缺点约束，例如沟道迁移率及可靠性、电流增益较小及高掺杂P型衬底成长等问题，未来跟着资料外延技能的开展，SiC IGBT将会完成打破。
IGBT模块技能开展
跟着IGBT芯片技能的不断开展，芯片的最高作业结温与功率密度不断进步， IGBT模块技能也要与之相适应。未来IGBT模块技能还将环绕芯片反面焊接固定与正面电极互连两方面不断改进，有望将无焊接、无引线键合及无衬板/基板等先进封装理念及技能结合起来，将芯片的上下外表均经过烧结或压接来完成固定及电极互连，一起在模块内部集成更多其他功用元件，如温度传感器、电流传感器及驱动电路等，不断进步IGBT模块的功率密度、集成度及智能度。
小结
本文从IGBT体结构、反面集电极区结构与正面MOS结构三方面剖析了IGBT芯片的技能现状，现在IGBT芯片遍及选用平面栅或许沟槽栅结构，并运用软穿通体结构与通明集电极区结构技能，以及各种增强型技能，以进步归纳功用和长时间可靠性。高压IGBT模块技能仍是以规范的焊接式封装为主，中低压IGBT模块产品则呈现了许多新技能，如烧结替代焊接，压力触摸替代引线键合，无衬板/基板封装等。未来IGBT将持续朝着集成化、智能化、小型化的方向开展。
