一文读懂电控系统核心——功率半导体IGBT模块

一、什么是IGBT模块

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块是当今功率电子领域的“核心执行者”，被誉为电力电子行业的“CPU”。您可以把它想象成一个“超级功率开关”的集成包。它将多个IGBT芯片与续流二极管芯片（FWD）通过特定电路拓扑集成封装在一起，形成的一个高性能、高可靠性的模块化半导体产品。其和单管的区别在于，IGBT单管是一个独立的器件，功率较小；而模块将多个芯片并联，功率更大、散热更好、可靠性更高，适用于工业级和能源级应用。因此，不能将其视为简单芯片的堆砌，而是一个复杂的系统。其中，第七代IGBT模块采用先进的沟槽栅+场截止技术，在导通损耗、电流密度与可靠性上实现全面升级，进一步拓展了功率半导体的应用边界。

二、主要功能和结构

（一）、核心功能：IGBT模块其最根本的用途是高效、精准地控制和管理电能，特别是在高压、大电流的条件下，能高效、快速地导通好和关断电流，实现电能的转换与控制（如直流变交流、交流变直流、改变电压频率等），是电控系统的“动力中枢”。

IGBT模块主要实现以下几种电能变换形式：

（二）内部结构和封装：

IGBT模块结合了MOSFET（金属氧化物场效应管）的高输入阻抗和BJT（双极型三极管）的低导通压降优点，兼具电压控制、驱动功率小、耐压高、电流大等特性。而第七代IGBT模块制造技术采用沟槽栅+场截止技术，相比前代实现了三大关键升级：

低损耗：导通压降（Vce (sat)）低至7V，开关损耗降低30%以上，能源转换效率显著提升；

高电流密度：芯片pitch值（相邻单元中心点间距）缩小至4微米，相同封装尺寸下电流承载能力提升20%；

高可靠性：支持10μs短路耐受时间（VGE=15V、VCC≤600V时），过载温度可达175℃，适应复杂工业环境。

一个典型的IGBT模块结构如下图所示：

其主要组成部分和封装技术包括：

芯片（Die）：核心，即第七代微沟槽场截止型IGBT芯片和二极管芯片。

DBC基板（Direct Bonded Copper）：覆盖在铜底板上的陶瓷片（常用AI2O3或AIN），上下两面覆铜。它起到电器绝缘和导热桥梁的关键作用。

铜底板（Beseplate）：模块的机械支撑和主要散热通道。

键合线（Bonding Wires）：通常为粗铝线，连接芯片电极与外部端子，承担大电流。键合技术和线材质量直接影响模块的寿命和可靠性。先进技术如铜线键合、超声键合和双面冷却（SLC）技术可以显著提升性能。

端子（Terminals）：包括主电路端子（如直流输入+/-，交流输出U/V/W）和驱动控制端子（栅极）。

外壳与硅凝胶：塑料外壳提供保护，内部的硅凝胶则用于防潮、绝缘、抑制放电和缓冲应力。

三、主要应用领域：

IGBT模块是“电能高效利用”的核心载体，广泛应用于各个需要大功率转换与控制的场景，下面主要介绍商用炒菜机场景应用：

在商用炒菜机领域中，配备了IGBT模块的炒菜机能够实现高频、无极、精准的功率调节。对于炒菜机应用，如果是普通机械开关（继电器）：无法高频开关，反应慢，只能进行简单的通断，会导致温度剧烈波动，而且频繁开关容易烧蚀损坏；如果是普通MOSFET：虽然开关频率高，但在高压大电流场合下损耗巨大，容易过热烧毁。而IGBT模块天生为高压、大电流、高频开关的应用而设计。它能够轻松承受炒菜机的工作电压和电流，自身发热可控。使用IGBT模块，能帮助现代炒菜机实现质的飞跃。在炒菜机中，IGBT模块主要可应用于两种加热方式的电源板上：

1.电磁加热式炒菜机：其原理类似电磁炉，IGBT模块是电磁线圈的驱动核心，负责产生高频交变磁场，使锅体自身发热。这是最高效的方式。

2.电阻加热式炒菜机：锅底是发热盘或发热管，IGBT模块作为发热盘的功率控制开关，通过调节其通电时间来控温。

总而言之，IGBT模块能在炒菜机中扮演“智能火力控制系统”的核心角色，能帮助其实现精准的“炒、焖、蒸、煮”等复杂烹饪火候。

其他应用场景：

1.工业控制领域：

①.变频器：这是IGBT模块经典的应用。通过改变供电电机的电源频率和电压，来实现电机的软启动、调速和节能运行。广泛应用于风机、水泵、压缩机等。

②.伺服驱动器：用于需要精密位置和速度控制的自动化设备，如工业机器人、数控机床等。

2.新能源汽车领域：

①.电控系统（主驱动逆变器）：这是电动汽车的三大核心之一。它的核心就是IGBT模块。其作用是将电池的直流电转换成交流电来驱动电机并控制电机的转速和扭矩，直接决定车辆的加速、爬坡和最高速度性能。

②.直流变换器（DC-DC）：将汽车高压电池的电压（如400V）降低为12V/24V，为车灯、音响等低压电器供电。

3.可再生能源发电领域：

①.光伏逆变器：将太阳能电池板产生的直流电转换成符合电网要求的交流电并输送上网。

②.风力发电交流器：将风力发电机发出的不稳定的交流电先整流成直流电，再逆变成稳定的交流电并入电网。

4.智能家电领域：

变频空调、变频冰箱、变频洗衣机等：通过IGBT模块（通常以IPM形式存在）调节压缩机和电机的转速，实现节能降噪、更精确的温度控制。

四、实际产品介绍（以金兰功率半导体几款产品为例）

JL3I200V65RE2PN：此款IGBT模块为650V/200A INPC三电平逆变模块，采用沟槽栅场终止技术IGBT7芯片，带热敏电阻（NTC）和可选PressFIT压接针脚技术。

其特点为：

其具备出色的模块效率，能显著提高功率密度和系统效率，紧凑型的设计，使系统成本更具优势。此款IGBT模块推荐用于有源电力滤波器（Active Power Filter，简称APF）及其他三电平应用。APF可广泛应用于工业、商业和机关团体的配电网中，如：电力系统、电解电镀企业、水处理设备、石化企业、大型商场及办公大楼、精密电子企业、机场港口的供电系统、医疗机构等。

JLHF800B120RD3E7DN：该款产品是金兰LD3封装模块中的一个典型产品，该产品为半桥拓扑，并内置热敏电阻（NTC）。该产品采用AMB（Si3N4）陶瓷基板，具有较高的热导率、更好的可靠性；芯片采用第七代IGBT，实现了更高的功率密度和更低的功率损耗。该产品可广泛应用于储能、光伏逆变、工业变频、电动汽车领域。

其特点为：

JLFF100B65RN2E7SN：该产品是金兰推出的一款LN2封装IGBT模块，集成NCE第7代沟槽/场截止型IGBT、发射极控制二极管（Emitter Controlled Diode）及NTC温度传感器，主打高可靠性与高效能，适用于中高压功率转换场景。

其产品特点为：

该产品根据特性，主要适用于需要中高压、高可靠功率控制的场景，包括：电机驱动领域，如工业电机、伺服电机的变频驱动系统等；新能源相关领域，如光伏逆变器、储能变流器等；工业电源领域，如隔离式DC-DC/AC-DC电源、UPS（不间断电源）等；其他领域，如大功率变频器、焊接设备等功率转换设备等。

五、结语

IGBT模块是现代电控系统的“肌肉和骨骼”，它承上启下：连接了微小的控制信号（信号端）和强大的动力执行（能源端），将微小的控制信号转化为强大的电力驱动；它高效节能：其自身的损耗远低于传统的机械开关或旧式功率器件，极大地提高了能源利用效率；它精准控制：实现了对电能的形式、频率、电压的精准控制，从而实现了设备的智能化运行。简单来说，凡是需要高效处理、转换和控制大功率电能的地方，几乎都离不开IBGT模块。

未来，IGBT 模块将向“更低损耗（如宽禁带半导体结合）、更高集成度（集成驱动与保护电路）、更优成本”方向发展，进一步巩固其在功率电子领域的核心地位。如需了解更多第七代IGBT模块的技术细节或产品方案，欢迎咨询深圳市智联微电子有限公司（邮箱：sales@chiplinkstech.com）。我司是新洁能旗下金兰功率半导体官方授权代理商，期待与您的携手合作。

审核编辑 黄宇