IGBT是影响电动汽车性能的核心器件之一

gaosmile

电动汽车已经成为许多家庭的代步工具，大家可能想不到，电动汽车行驶需要用到IGBT。IGBT是什么？为什么拥有如此大的能量？

IGBT全称Insulated Gate Bipolar Transistor，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，为世界公认的电力电子第三次技术革命的代表性产品，是工业控制及自动化领域的核心元器件。上个世纪八十年代，IGBT已经出现，发展至今已经经过7次迭代升级。

IGBT具有高频率、高电压、大电流、易于开关等优良性能，主要作用是进行交流电和直流电的转换、电压高低的转换，被视为电控系统中的“CPU”。简单来说，IGBT能够根据信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等，好似一个“开关”，实现精准调控。

电动汽车具有高度电气化的特性，这就有了IGBT应用的“土壤”。IGBT是影响电动汽车性能的核心器件之一，可用于电动汽车的电池管理系统、电动控制系统、空调控制系统、充电系统等，与动力电池电芯一起被业内并称为电动汽车的“双芯”。

比如，当IGBT用于电动汽车的电机中时，电动汽车通过电机来驱动车轮行驶，车内电机系统主要包括电动机和逆变器两部分，而IGBT模块是逆变器的核心器件，通过调节输出电能的形式，从而驱动电机，为汽车运行提供动力。

高铁也会用到IGBT。IGBT模块是高铁牵引变流器中的重要部件，通过IGBT模块的开关，将直流电压转换为对称的、具有可变振幅和频率的交流电压，带动牵引电机运行。

应用广泛的

IGBT  

除了汽车、高铁等交通工具，光伏、风电等新能源发电领域，电视机、洗衣机、空调、冰箱等消费级产品，都在不断提高电气化、智能化水平，传统电网也在加速智能化，这些应用场景都能有IGBT的身影。

IGBT是国家战略性新兴产业，当前正加速国产化。国家持续支持工业半导体材料、芯片、器件、IGBT模块领域关键技术攻关。如工信部在2017年推出“工业强基IGBT器件一条龙应用计划”，针对新能源汽车、智能电网、轨道交通三大领域，重点支持IGBT设计、芯片制造、模块生产及IDM、上游材料、生产设备制造等环节，促进IGBT及相关产业的发展。

IGBT性能优良，在工作中承担“重任”，如果质量不过关，芯片或整个模块将失去效用或者寿命缩短，这将影响整个器件乃至产品的正常运行。

为了能及时发现IGBT潜藏问题，找出器件隐患，应对IGBT进行可靠性测试，这有助于指导厂商更加深入了解其产品可靠性，从而加快产品开发速度，优化工艺流程，提升产品质量。

在环境与可靠性领域，广电计量一直致力于走在帮助质量提升的前沿。广电计量IGBT技术带头人江雪晨博士指出，从可靠性分析来说，IGBT模块常见的失效模式包括芯片失效和模块老化失效。前者包括过热、过压、过电流等因素，如过热可能是由于环境温度高，温度保护点设置不合适、温度保护不及时，电流过大、器件损耗过高等引起；后者主要是模块的电极端子、外壳焊接层、芯片键合线等部位出现问题。

拥有多年研究和测试经验的江雪晨表示，不同的失效模式可以通过一些可靠性方法进行评估。比如模块的焊接层老化失效，可以通过温度循环、温度冲击和功率循环等来判断。

江雪晨

博士

广电计量IGBT技术带头人

长期致力于

功率半导体测试实践与研究

专注智能功率模块开发

↓  IGBT测试小分享 ↓

1、为什么IGBT会发生退饱和现象？

答：根据IGBT输出特性曲线，到一定临界点后，CE电压迅速增大，而集电极电流并不随之增长，这时称IGBT退出了饱和区。在这个区间内，IGBT损耗增加，发热严重，是需要避免的工作状态。

退饱和原因：栅极施加一个大于阈值的正压VGE，则栅极氧化层下方会出现强反型层，形成导电沟道，当CE电压增大到临界点，沟道末的电势随着VCE而增长，使得栅极和硅表面的电压差很小，进而不能维持硅表面的强反型，这时沟道出现夹断现象，电流不再随CE电压的增加而成比例增长。

2、湿度对IGBT模块造成的影响？

答：湿度对高压IGBT模块尤其是壳式封装来说是十分重要的一个参数，因为其非密封设计且半导体界面（比如钝化层）存在高压场强。

机电迁移和铝腐蚀是湿度引起的功率半导体两种可能的失效机理。在第一种情况下，可以在芯片钝化区域检测到Cu或Ag的枝晶生长。在第二种情况下，场限环区域的铝金属镀层会发生腐蚀。

目前，广电计量已在IGBT领域持续布局和开展研究，基于欧洲电力电子中心（ECPE）“汽车电力电子模块认证”工作组发布的AQG 324标准，广电计量能够提供一系列的IGBT性能及可靠性测试服务以及相关的技术支持。如果您需要了解更多相关业务或服务，欢迎联系我们。

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