IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)全称“绝缘栅双极晶体管”，其芯片与动力电池电芯并称为电动车的 “双芯”，是影响电动车性能的关键技术。
0.IGBT基本介绍
0.1 芯片形成阶段：从多晶硅到晶圆到芯片。
IGBT的源头——单晶硅，需要电子纯化，99.999999999%高纯度多晶硅；基于金刚石的线切割法将硅锭切成一片片晶圆，同一块硅锭产出晶圆越薄，产生的数量越多，生产成本将会下降，于是晶圆厂不懈追求着晶圆片的薄度；在晶圆这个地基上，层层叠叠堆积电路，逐层构建芯片的梁和柱。
0.2 IGBT的组成：BJT和MOS
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。
0.3 IGBT的特点
IGBT具有以下特点：高输入阻抗，可采用通用低成本的驱动线路；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，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。
0.4 IGBT的常见形式：单管和模块
0.4.1模块
IGBT最常见的形式其实是模块（Module），而不是单管。
0.4.1.1模块的3个基本特征：
多个芯片以绝缘方式组装到金属基板上；空心塑壳封装，与空气的隔绝材料是高压硅脂或者硅脂，以及其他可能的软性绝缘材料；同一个制造商、同一技术系列的产品，IGBT模块的技术特性与同等规格的IGBT 单管基本相同。
0.4.1.2模块的主要优势
——多个IGBT芯片并联，IGBT的电流规格更大。
——多个IGBT芯片按照特定的电路形式组合，如半桥、全桥等，可以减少外部电路连接的复杂性。
——多个IGBT芯片处于同一个金属基板上，等于是在独立的散热器与IGBT芯片之间增加了一块均热板，工作更可靠。
——一个模块内的多个IGBT芯片经过了模块制造商的筛选，其参数一致性比市售分立元件要好。
——模块中多个IGBT芯片之间的连接与多个分立形式的单管进行外部连接相比，电路布局更好，引线电感更小。
——模块的外部引线端子更适合高压和大电流连接。同一制造商的同系列产品，模块的最高电压等级一般会比IGBT 单管高1-2个等级，如果单管产品的最高电压规格为1700V，则模块有2500V、3300V 乃至更高电压规格的产品。
0.4.2单管
晶圆上的一个最小全功能单元称为Cell，晶圆分割后的最小单元，构成IGBT 单管或者模块的一个单元的芯片单元，合称为IGBT的管芯。
一个IGBT管芯称为模块的一个单元，也称为模块单元、模块的管芯。模块单元与IGBT管芯的区别在最终产品，模块单元没有独立的封装，而管芯都有独立的封装，成为一个IGBT管。
近来还有一种叫IPM的模块，把门级驱动和保护电路也封装进IGBT模块内部，这是给那些最懒的工程师用的，不过工作频率自然不能太高咯。
单管的价格要远低于模块，但是单管的可靠性远不及模块。全球除特斯拉和那些低速电动车外，全部都是使用模块。
1.IGBT技术的优势和局限性
1.1为何IGBT技术在汽大量应用？
擅长小功率作战的MOS管芯片，虽然为手机、电脑带来更快的运行速度，但其耐压低，在高电压、大电流应用中损耗大的弱点，使之无法投入到大功率作战中。
导通压降小、耐压高、输出功率高的IGBT芯片此时露出它锋利的武器，吞噬着MOS的份额。对于电动车而言，IGBT直接控制驱动系统直、交流电的转换，决定了车辆的扭矩和最大输出功率等。
不仅电机驱动要用IGBT，新能源的发电机和空调部分一般也需要IGBT。不仅是新能源车，直流充电桩和机车（高铁）的核心也是IGBT管，直流充电桩30%的原材料成本就是IGBT。电力机车一般需要 500 个IGBT 模块，动车组需要超过100个IGBT模块，一节地铁需要50-80个 IGBT 模块。
1.2 IGBT的局限性
1.2.1 穿通型元件必然存在能量损耗
IGBT本身是一个非通即断的开关，导通时可以看作导线，断开时可以看作开路。在电机驱动控制器中，IGBT主要负责将动力电池传输的直流电转化为交流电。电流从上而下垂直穿过IGBT，直至抵达驱动电机。芯片越薄，电流所上面流过的路径就越短，损耗在芯片上的能量也就随之降低。
有人说，IGBT并不是一个理想开关，原因在于它在导通之时有饱和电压——Vcesat，造成导通损耗；在开关时也有开关能耗——Eon和Eoff。IGBT在它们的打击下性能减弱。若IGBT受到的损耗降低，整车电耗也将明显降低。
概括说来，为了降低整车电耗，必须有意将Vcesat和开关损耗降到更低。
1.2.2 Vcesat和Eoff互相矛盾的特性
Vcesat和Eoff是一对矛盾体，对同一代的IGBT技术来讲，Vcesat做小，Eoff就高了，反之亦然。它们必须相互妥协，相互折衷。这一点就比较考验制造商的能力了。
2.新一代IGBT技术核心有哪些？
2.1复合场终止技术
2.1.1用于减薄芯片厚度
基于场终止技术设计的IGBT芯片（又被称为软穿通或者轻穿通IGBT），在NPT基础上增加了复合场终止层，将芯片厚度减薄。
如比亚迪4.0代IGBT，从原来的180um减薄至120um（约两根头发丝直径）。为了减少能耗，比亚迪的解决方案是，增加复合场终止层，减薄N-漂移区（漂移区的正向压降与厚度密切相关）。
场终止层是为了能够截止电场。
“通过一个多层的场终止结构，优化电阻分布”。N-漂移区更薄，电阻越小，Vcesat损耗更低；更薄N-层导通时存储的过剩载流子总量更少，缩短关断时间，减少关断损耗。最终达到一个整体电耗的降低。
比如比亚迪4.0IGBT，与2.5代相比，比亚迪IGBT 4.0代Eoff降低了30%，而且Vcesat也从2.25V降至2.05V。与主流产品相比，它在Vcesat和Eoff之间的平衡能力也更优异。
2.2 精细化平面栅设计
通过精细化平面栅设计，将IGBT元胞的面积缩小51%（元胞的功能是降低导通压降、增加输出功率）。通常，一个IGBT芯片在结构上是由数十万个元胞组成。于是，元胞面积缩小后，同样的芯片中可包含更多的元胞，电流密度也由此提升20%。
与此同时，驱动门极（电压高低，决定门极给出开还是关的信号）启动的功率更低，并且加快开关速度，同样有利于降低整车能耗和系统干扰。
2.3 新型碳化硅材料
功率半导体企业业已预见到，IGBT的硅基材料性能可能无法满足未来更高的需求。现在，它们已开始寻求更低芯片损耗、更强电流输出能力、更耐高温的全新半导体材料。如半导体材料SiC（高纯碳化硅粉）。
SiC能将新能源车的效率再提高10%，这是新能源车提高效率最有效的技术。
目前限制SiC应用主要是两方面，一是价格，其价格是传统Si型IGBT的6倍。其次是电磁干扰。 SiC的开关频率远高于传统Si型IGBT，回路寄生参数已经大到无法忽略。
对日本厂家来说，SiC基板都没有丝毫难度，三菱、丰田、罗姆、富士电机、日立、瑞萨、东芝都有能力自己制造，全部是内部开发的技术。意法半导体技术也不错。
2.4散热工艺优化
车用IGBT的散热效率要求比工业级要高得多，逆变器内温度最高可达大20度，同时还要考虑强振动条件，车规级的IGBT远在工业级之上。
工业级IGBT与车规级IGBT对比：
2.4.1 内部引线技术
解决散热的第一点，就是提高 IGBT模块内部的导热导电性能、耐受功率循环的能力， IGBT模块内部引线技术经历了粗铝线键合、 铝带键合再到铜线键合的过程，提高了载流密度。
2.4.2新焊接工艺
第二点，新的焊接工艺，传统焊料为锡铅合金， 成本低廉、工艺简单， 但存在环境污染问题， 且车用功率模块的芯片温度已经接近锡铅焊料熔点（220℃）。
解决该问题的新技术主要有：低温银烧结技术和瞬态液相扩散焊接。与传统工艺相比， 银烧结技术的导热性、耐热性更好， 具有更高的可靠性。
瞬态液相扩散焊接通过特殊工艺形成金属合金层， 熔点比传统焊料高， 机械性能更好。三菱则使用超声波焊接。
2.4.3改进DBC和模块底板
第三点，改进DBC和模块底板，降低散热热阻， 提高热可靠性， 减小体积，降低成本等。以 AlN 和 AlSiC 等材料取代 DBC 中的Al2O3和Si3N4等常规陶瓷，热导率更高，与Si 材料的热膨胀系数匹配更好。
此外，新型的散热结构，如 Pin Fin结构 和 Shower Power结构， 能够显著降低模块的整体热阻，提高散热效率。
2.4.4扩大模块与散热底板间的连接面积
第四就是扩大模块与散热底板间的连接面积，如端子压接技术。
2.5背板工艺优化
IGBT的正面工艺和标准BCD的LDMOS没区别，区别在背面，背面工艺有几点：
首先是减薄，大约需要减薄6-8毫米，减得太多容易碎片，减得太少没有效果。接下来是离子注入，注入一层薄磷做缓冲层，第四代需要两次注入磷，本来硅片就很薄了，两次注入很容易碎片。然后是清洗，接下来金属化，在背面蒸镀一层钛或银，最后是Alloy，因为硅片太薄，很容易翘曲或碎片。英飞凌特别擅长减薄技术。
2.6 抗雪崩效应的优化方案
ＩＧＢＴ关断时容易在过压、过流条件下出现动态雪崩电流丝化问题，若发展为二度动态雪崩（标志是集电极—发射极电压关断波形出现负阻凹陷区）则会把器件引入具有失效危险的工作区。而工业生产中通常采用减薄芯片结合提高基区电阻率（降低掺杂浓度）的方法来改善ＩＧＢＴ关断能耗Ｅｏｆｆ与通态压降ＶＣＥ（ｏｎ）的折中关系，很容易诱发动态雪崩现象，直接影响器件的坚固性和安全工作区（ＳＯＡ）面积。
通过对器件内部动态雪崩电流成丝信息的提取和分析，可以分析不同漂移区厚度ｄ和掺杂浓度ＮＤ对动态雪崩电流成丝程度的影响，在ＮＤ － ｄ平面上定量确定了漂移区设计中的二度动态雪崩临界线，明确区分了二度动态雪崩区与安全区。
背面设计方面，降低背Ｐ区掺杂浓度和降低场终止层掺杂浓度这两种方案都有利于临界线向扩张安全区的方向变动，让原处于二度动态雪崩区的危险设计点变得安全；前者改善电流分布均匀性的效果更明显，但在应用条件需要避免高换相ｄｖ／ｄｔ时，采用后一种方案更为合适。
2.7门极电量
门极驱动电路的作用：放大输出功率，以达到驱动IGBT功率器件的目的。
降低门极电量能减少驱动电路带来的能耗，提高开关速度，更小的门极振荡。
最小门极电阻确定了最大门极峰值电流。增大门极峰值电流能减小开关时间，从而降低开关损耗。但最大的门极峰值电流又受限于驱动的输出能力。驱动的规格书中一般会定义最大门极电流输出能力，即定义了最小允许的门极电阻，应用中应考虑这个因素避免驱动过载失效。
IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。
如果提高开通门极电压+VGE，开通速度会上升，开通损耗会下降。相反，开通时的噪声干扰会增加。同样，如果提高关断门极电压-VGE，关断速度会上升，关断损耗会下降。相反，关断时的浪涌电压及噪声干扰会增加。
2.8提升功率密度
丰田19，国内只有8，差距很大。
