IGBT模塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)\工作原理與IGBT模塊清洗介紹

合明科技發(fā)布時(shí)間：2023-09-13 ?? 2632 Tags：IGBT模塊 IGBT 模塊工作原理 IGBT 模塊清洗

今天我要和大家分享的是關(guān)于IGBT（絕緣柵雙極性晶體管）芯片的革命性崛起。這項(xiàng)創(chuàng)新的科技巨擘在現(xiàn)代電力電子領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)震撼世界的變革。想象一下，在過(guò)去的幾十年中，我們生活的每個(gè)角落都離不開(kāi)能源的驅(qū)動(dòng)。然而，傳統(tǒng)的功率晶體管卻受限于一些方面不足。幸運(yùn)的是，IGBT芯片的出現(xiàn)徹底改變了這一局面。當(dāng)前的新能源車的模塊系統(tǒng)由很多部分組成，如電池、VCU、BSM、電機(jī)等，但是這些都是發(fā)展比較成熟的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)外的模塊廠商已經(jīng)開(kāi)發(fā)了很多，但是有一個(gè)模塊需要引起行業(yè)內(nèi)的重視，那就是電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，則是電機(jī)驅(qū)動(dòng)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和MOS管都是一種用于電力控制的半導(dǎo)體器件。它們的作用是在電路中調(diào)整或控制電流的流動(dòng)。

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是一種具有低壓控制和高電流能力的開(kāi)關(guān)設(shè)備。它結(jié)合了場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和雙極型晶體管（BJT）的優(yōu)點(diǎn)，具有低開(kāi)通電阻和高開(kāi)通速度，能夠承受較高的電流和電壓。IGBT主要用于交流電力電子設(shè)備中，如變頻器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、逆變器等。

MOS管（金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）是一種基于MOS結(jié)構(gòu)的晶體管。它具有高輸入電阻、低功耗和快速開(kāi)關(guān)速度等特點(diǎn)，可以用作開(kāi)關(guān)、放大器、放大器驅(qū)動(dòng)器等。MOS管可以分為兩類：增強(qiáng)型MOSFET（nMOS）和耗盡型MOSFET（pMOS）。增強(qiáng)型MOSFET需要一個(gè)正電壓作為控制信號(hào)以切換其導(dǎo)通狀態(tài)，而耗盡型MOSFET需要一個(gè)負(fù)電壓作為控制信號(hào)。

總的來(lái)說(shuō)，IGBT主要用于高功率電力應(yīng)用，而MOS管則適用于低功率應(yīng)用。IGBT具有較高的電流和電壓能力，可以承受較大的負(fù)載，但開(kāi)關(guān)速度相對(duì)較慢。相比之下，MOS管具有較低的功耗和更快的開(kāi)關(guān)速度，但電流和電壓能力相對(duì)較弱。在電路設(shè)計(jì)中，對(duì)于不同的應(yīng)用需求和電路規(guī)模，可以選擇使用不同類型的器件。

雖然它們?cè)诤芏嚯娮釉O(shè)備中都有廣泛的應(yīng)用，但在一些特定的應(yīng)用場(chǎng)景中，它們存在一些不足之處：

1、傳統(tǒng)功率晶體管的效率問(wèn)題。在高壓、高電流的情況下，傳統(tǒng)的功率晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)下會(huì)有較高的導(dǎo)通電阻，導(dǎo)致能源被轉(zhuǎn)化為熱量損失。這意味著功率晶體管在工作時(shí)會(huì)消耗大量的功率，并且需要額外的散熱措施來(lái)解決發(fā)熱問(wèn)題。

2、傳統(tǒng)功率晶體管的速度問(wèn)題。功率晶體管在開(kāi)關(guān)過(guò)程中存在一定的開(kāi)啟延遲時(shí)間和關(guān)閉延遲時(shí)間，限制了其在高頻率開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的性能。

幸運(yùn)的是，IGBT芯片的出現(xiàn)徹底改變了這些局限。IGBT芯片結(jié)合了MOSFET和BJT的優(yōu)點(diǎn)，有效克服了功率晶體管的不足之處：

1、IGBT芯片具有低導(dǎo)通電阻和高電流承載能力的優(yōu)點(diǎn)，可以在高壓、高電流的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)較低的功率損耗。這使得它們?cè)诠β兽D(zhuǎn)換和電力傳輸?shù)葢?yīng)用中更加高效。

2、IGBT芯片在開(kāi)關(guān)速度方面表現(xiàn)較為出色。相對(duì)于傳統(tǒng)的BJT晶體管，IGBT芯片具有更快的開(kāi)啟速度和關(guān)閉速度，這使得它們能夠在高頻率開(kāi)關(guān)電路中表現(xiàn)出更好的性能。

綜上所述，傳統(tǒng)的功率晶體管在效率和速度方面存在一些限制，而IGBT芯片通過(guò)結(jié)合MOSFET和BJT的優(yōu)點(diǎn)，解決了這些問(wèn)題。因此，IGBT芯片被廣泛應(yīng)用于需要高效、高速開(kāi)關(guān)能力的領(lǐng)域，例如電力傳輸、工業(yè)控制和新能源領(lǐng)域。

一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

PT-IGBT采用 P 型直拉單晶硅作為襯底，在此之上依次生長(zhǎng)N+ buffer，N-base外延，最后在外延層表面形成元胞結(jié)構(gòu)。P 型襯底作為器件的集電區(qū)濃度高且難以減薄，為了減小陽(yáng)極側(cè)空穴載流子的注入效率，通常會(huì)在漂移區(qū)和襯底之間外延生長(zhǎng)一層 N+緩沖層，用來(lái)阻擋部分空穴注入。在阻斷狀態(tài)下，緩沖層又起到截止漂移區(qū)電場(chǎng)的作用，由于電場(chǎng)穿透漂移區(qū)，故稱此結(jié)構(gòu)為穿通型 IGBT。

二、性能優(yōu)勢(shì)：

1、低導(dǎo)通壓降：

平面柵穿通型IGBT相比傳統(tǒng)功率晶體管具有較低的導(dǎo)通壓降，即在導(dǎo)通狀態(tài)下的電壓降低；這是由于電導(dǎo)調(diào)制的存在，導(dǎo)通時(shí)，當(dāng)P+區(qū)注入到N區(qū)的少子濃度很大（大注入）、接近摻雜濃度，則額外積累起來(lái)的多子濃度也就與摻雜濃度相當(dāng)了，這時(shí)，N區(qū)的電導(dǎo)率實(shí)際上就決定于基區(qū)摻雜濃度和額外增加的多子濃度的總和，從而N區(qū)的有效電導(dǎo)率大大增加了，即降低了N區(qū)的電阻率。

2、高電壓承受能力：

平面柵穿通型IGBT可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)出不同N區(qū)的厚度來(lái)達(dá)到所要求的耐壓上限，可以較高的電壓承受能力，適用于高壓應(yīng)用。

3、簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路：

相對(duì)于傳統(tǒng)功率晶體管，平面柵穿通型IGBT的驅(qū)動(dòng)電路更為簡(jiǎn)化。它通常只需要一個(gè)正向電壓脈沖來(lái)開(kāi)啟，而無(wú)需連續(xù)施加電壓，減少了驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性和成本。

三、存在問(wèn)題：

1、開(kāi)關(guān)損耗較大：

相對(duì)于傳統(tǒng)功率晶體管，平面柵穿通型IGBT的開(kāi)關(guān)損耗較大；這是由于其較厚的P+區(qū)，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)空穴抽離的路徑較遠(yuǎn)。

2、導(dǎo)通壓降相對(duì)較高：

盡管相對(duì)于傳統(tǒng)功率晶體管有所改進(jìn)，但平面柵穿通型IGBT仍然存在較高的導(dǎo)通壓降，這取決于正面結(jié)構(gòu)電流路徑的復(fù)雜性及其較厚的P+區(qū)。

3、溫度依賴性：

平面柵穿通型IGBT的性能受溫度影響較大。其導(dǎo)通特性和開(kāi)關(guān)速度由于復(fù)雜的摻雜濃度層次的交替，高溫下不同層次的表現(xiàn)不同，致使其受溫度影響大，且期間整體的漏電流較高。

4、高電流飽和現(xiàn)象：

在較高電流密度時(shí)，平面柵穿通型IGBT可能會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，即電流不再線性響應(yīng)于控制電壓的變化，這是由于平面柵結(jié)構(gòu)的退飽和效應(yīng)，柵極施加一個(gè)大于閾值的正壓VGE，則柵極氧化層下方會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反型層，形成導(dǎo)電溝道。這時(shí)如果給集電極C施加正壓VCE，則發(fā)射極中的電子便會(huì)在電場(chǎng)的作用下源源不斷地從發(fā)射極E流向集電極C，而集電極中的空穴則會(huì)從集電極C流向發(fā)射極E，這樣電流便形成了。這時(shí)電流隨CE電壓的增長(zhǎng)而線性增長(zhǎng)，器件工作在飽和區(qū)。當(dāng)CE電壓進(jìn)一步增大，IGBT溝道末的電勢(shì)隨著VCE而增長(zhǎng)，使得柵極和硅表面的電壓差很小，進(jìn)而不能維持硅表面的強(qiáng)反型，這時(shí)溝道出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象，電流不再隨CE電壓的增加而成比例增長(zhǎng)，即IGBT退出飽和區(qū)。

N 型襯底IGBT——平面柵非穿通型（NPT）IGBT：

四、IGBT模塊究竟如何工作？

在電控模塊中，IGBT模塊是逆變器的最核心部件，總結(jié)其工作原理：

通過(guò)非通即斷的半導(dǎo)體特性，不考慮過(guò)渡過(guò)程和寄生效應(yīng)，我們將單個(gè)IGBT芯片看做一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)。我們?cè)谀K內(nèi)部搭建起若干個(gè)IGBT芯片單元的并串聯(lián)結(jié)構(gòu)，當(dāng)直流電通過(guò)模塊時(shí)，通過(guò)不同開(kāi)關(guān)組合的快速開(kāi)斷，來(lái)改變電流的流出方向和頻率，從而輸出得到我們想要的交流電。

五、IGBT 模塊清洗

為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題，世界各國(guó)均在大力發(fā)展新能源汽車、高壓直流輸電等新興應(yīng)用，促進(jìn)了大功率電力電子變流裝置的廣泛應(yīng)用。大功率變流裝置的可靠性對(duì)這些應(yīng)用而言十分重要。裝置的可靠性與其核心器件IGBT密切相關(guān)。

目前，大量的IGBT仍在采用傳統(tǒng)的正溴丙烷等溶劑清洗清洗，隨著對(duì)環(huán)保的管控和對(duì)產(chǎn)品可靠性的要求不斷提高，原有的傳統(tǒng)溶劑清洗已不能滿足IGBT清洗。對(duì)此，合明提出新型的IGBT清洗方案。

合明科技半水基清洗工藝解決方案，采用合明科技專利配方，可在清洗IGBT凹槽內(nèi)存在大量的錫膏殘留的同時(shí)去除金屬界面高溫氧化膜，更含有保護(hù)芯片獨(dú)特的材料；配方材料親水性強(qiáng)，清洗后易于用水漂洗干凈。

歡迎使用合明科技半水基清洗劑清洗IGBT功率器件。

以上便是IGBT功率器件清洗劑廠,IGBT功率器件的DCB襯底功能介紹，希望可以幫到您！

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