自 20 世紀 80 年代開發以來，IGBT 已成為風能、太陽能等高壓可再生能源應用以及消費和工業用途的電動汽車和電動機的關鍵。

功率半導體、功率器件、IGBT三者有什么關系？

功率半導體是電力電子設備實現電力轉換和電路控制的核心元器件。功率半導體又稱作電力半導體，主要用來對電力進行轉換，對電路進行控制，用于改變電壓或電流的波形、幅值、相位、頻率等參數。功率半導體本質上是一種電力開關，能夠在低阻狀態下流過從幾安培到幾千安培的電流，能夠在毫秒甚至微秒時間內對高達數千伏高電壓、數千安培的大電流進行控制。功率半導體器件可用于整流（交流轉換直流）、逆變（直流轉換交流）、轉換（直流轉直流）、變頻（改變交流電頻率）、功率控制等。電力設備采用多個功率半導體器件按照一定的拓撲結構進行組合，就能實現負載電力轉換需求。功率半導體可以分為功率分立器件、功率模塊和功率IC。

圖1.功率半導體的主要分類（來源：招商銀行研究院）

功率器件按器件結構可分為功率二極管、晶閘管、晶體管等。晶體管是電子電路的核心元件，主要包括MOSFET和IGBT， 具有高頻率、低損耗特點。

IGBT 耐壓較高，更適用于高壓中低頻領域。MOSFET功率器件是單極器件，導通電阻會隨著電壓增加而急速上升，因而難以實現耐高壓、大電流。1982年，通用電氣推出了結合MOSFET和BJT結構的復合型器件IGBT。IGBT兼具MOSFET 輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關速度快和BJT通態電流大、導通壓降低、損耗小等優點，成為功率半導體發展方向之一。IGBT 器件結構不斷升級，器件性能持續提升。IGBT器件經歷七次迭代升級，在降低損耗和小型化等方面性能不斷優化。IGBT器件從“穿通、非穿通、場截止”和“平面柵、溝槽柵”兩個方面不斷演變，在芯片面積、工藝線寬、通態飽和壓降、關斷時間、功率損耗、斷態電壓等方面不斷優化，提升器件耐壓、降低損耗和導通電阻。

圖2.IGBT器件性能對比（資料來源：Yole、招商銀行研究院）

IGBT功率半導體上游主要包括設計、制造到封裝測試，包括晶圓、外延、制造、切割、封裝等工藝環節。功率半導體中游主要是電源轉換器或電源模塊，下游應用領域涉新能源相關行業及所有電子行業領域。

IGBT 在新能源汽車、光伏、風電、儲能、充電樁等新能源相關領域都有廣泛應用。隨著新能源汽車滲透率提升和光伏風電儲能市場快速崛起，IGBT市場有望保持快速增長。

如今，IGBT 幾乎存在于所有電子產品中：醫院的 X 光機、CAT 掃描儀和 MRI 裝置等醫療診斷機器；便攜式除顫器；微波爐和電磁爐；空調和冰箱……所有風能和太陽能裝置都利用基于 IGBT 的技術將產生的電能轉換為適合消費和工業應用的形式。它在提高電能使用效率和減少汽油消耗方面發揮了重要作用，因此在過去 40 年的全球減少污染的努力中發揮了關鍵作用。

IGBT熱管理解決方案

當下的高功率器件在工作時會產生大量熱量，如果不及時有效地散熱，可能會導致器件的性能下降甚至損壞。因此，功率器件的熱管理至關重要。熱管理主要包括熱量的傳導、對流和輻射，以保證器件在安全溫度范圍內工作。

圖4.功率器件封裝結構示意圖（來源：洞見熱管理繪制）

1、IGBT在結上發生功率損耗;

2、結上的溫度傳導到IGBT模塊殼上;

3、IGBT模塊上的熱傳導散熱器上;

4、散熱器上的熱傳導到空氣中。

如果IGBT模塊功率一定時，IGBT結殼之間的熱阻一定，IGBT殼與散熱器的熱阻與散熱器材料和接觸程度兩個方面有關，但此處熱阻較小，散熱器的材料及接觸程度的改變對整個散熱過程影響較小。

換言之就是主要影響散熱的是兩個方面，一是總的損耗，二是散熱器熱阻。

但是往往鑒于輸出功率及實際工況的限制，IGBT的總功率損耗是不可以改變的。

所以散熱的問題主要就是怎么改變散熱器到空氣或其他介質之間熱阻的問題。

功率器件的耗散功率所產生的溫升需由散熱器來降低，通過散熱器增加功率器件的導熱和輻射面積、擴張熱流以及緩沖導熱過渡過程，直接傳導或借助于導熱介質將熱量傳遞到冷卻介質中，如空氣、水或水的混合液等。

目前常用到的冷卻方式為強制空氣冷卻、循環水冷卻、熱管散熱器冷卻等。

（1）空氣自然散熱

空氣自然散熱是指不使用任何外部輔助能量，實現局部發熱器件向周圍環境散熱達到溫度控制的目的。

通常包含導熱、對流和輻射，適用于對溫度控制要求不高、器件發熱的熱流密度不大的低功耗器件和部件，以及密封或密集組裝的器件不宜(或不需要)采用其他冷卻技術的情況。這種散熱器效率很低，不適合用于大功率器件中。

由于它的結構簡單、無噪音、免維護，特別是沒有運動部件，所以可靠性高，非常適用于額定電流在以下的器件。

（2）強制空氣冷卻

強制對流風冷散熱特點是散熱效率高，其傳熱系數是自冷式散熱效率的2-5倍。

強制對流風冷散熱分兩部分：翼片散熱片和風扇。熱源直接接觸的翅片散熱器，其作用是將熱源發出的熱量引出，風扇用來給散熱器強制對流冷卻降溫。從而強制空氣冷卻主要與散熱器材料、結構、翼片有關。

風速越大，散熱器熱阻越小，但流動阻力越大，因此應適當提高風速來降低熱阻。

風速超過一定值之后再提高風速對熱阻的影響就非常小了。散熱器材料質量特性對散熱效率有顯著影響。紫銅導熱系數相當于工業純鋁的2倍，在相同散熱效率下，紫銅散熱器的體積為鋁質散熱器的1/3一1/2。

由于銅的比重大，價格高，一般較少應用。

風冷散熱結構簡單，價格低廉，安全可靠，技術成熟，但不能將溫度降至室溫以下。因需配備風機，因而噪聲大，容易吸人灰塵，可靠性相對降低，有一定維護量，且風扇壽命受時間限制。

（3）液冷方式

液態冷卻將導熱系數較之氣體冷卻可顯著提高。

對于功率密度大的電力電子裝置而言，液體冷卻是很好的選擇。液體冷卻系統利用循環泵來保證冷卻液在熱源和冷源之間循環，以交換熱量。水冷式散熱器水冷式散熱器的散熱效率極高，等于空氣自然冷卻換熱系數的100-300倍。

以水冷式散熱器代替風冷式散熱器，可大大提高器件的容量。

但是，由于普通水的絕緣性較差，水中存在的雜質離子會在高電壓下導致電腐蝕和漏電現象，只有在低電壓，才可以采用普通水冷卻。

為使上述水冷系統進人高壓大功率電力電子領域，必須解決冷卻水的純度和長期運行時系統的可靠性及腐蝕兩大問題，且水冷卻方式需要有水循環與處理設備，設備復雜。

油冷式散熱器由于油的冷卻性能比空氣好，同時也由于將閥體安裝在油箱中可以免受環境條件的影響，具有很高的絕緣性和電磁屏蔽效果，所以曾在高壓大功率電力電子裝置中得到相當廣泛的應用。

但由于水冷系統不論從冷卻效果還是環境影響方面均具有明顯的優勢，所以近年來油冷系統似乎已漸漸淡出高壓大功率變流器領域。

（4）熱管散熱器

熱管散熱方案設計及實現熱管是一種能的傳熱元件,它以獨特的傳熱方式，實現了超常的傳熱效果。

典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內抽成1.3*(0.1~0.0001)Pa的負壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發段(加熱段，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據應用需要在兩段中間可布置絕熱段。

當熱管的一端受熱時毛紉芯中的液體蒸發汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體,液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段。

如此循環，熱量由熱管的一端傳至一另端。

其優點是，具有傳熱能力強，是紫銅的10倍,、均溫能力優良、熱密度可變、無外加設備、工作可靠、結構簡單，重量輕、不用維護等優點,熱管傳熱速度且噪音低,使用壽命長，缺點是價格昂貴。

熱管散熱器一般適用于大功率、分立元件的場合在一些特殊的生產工況如粉塵比較多的地方煤礦、焦化廠、部分化工廠可以采用熱管散熱器，因為可以做到整個功率變換部分的密閉性。

國內的電力電子變換器行業多年前已采用熱管散熱器。