在新能源汽車蓬勃發(fā)展的今天，IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）功率模塊作為新能源汽車電機(jī)驅(qū)動的核心元件，其性能和可靠性至關(guān)重要。而金剛石，這種被譽(yù)為 “硬度之王” 的神奇材料，正逐漸在新能源汽車IGBT功率模塊散熱領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。

        IGBT 在新能源汽車中的核心地位

       1、定義與基本結(jié)構(gòu)：

       定義：IGBT是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件。它兼具M(jìn)OSFET的高輸入阻抗、控制簡單、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，以及BJT的低導(dǎo)通壓降、大電流密度等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)大電流、高電壓的開關(guān)控制。

       結(jié)構(gòu)：主要由三部分組成。一是金屬氧化物半導(dǎo)體氧化層（MOS），這是IGBT的核心部分，可通過控制電路來控制其電流和電壓等參數(shù)；二是雙極型晶體管（BJT），由兩個雙極型晶體管構(gòu)成，能夠產(chǎn)生高功率；三是絕緣層，起到保護(hù)IGBT元件免受外界環(huán)境侵蝕和損壞的作用。

       2、工作原理

       當(dāng)在IGBT的柵極 - 發(fā)射極間加閾值電壓以上的正電壓時，在柵極電極正下方的P層上會形成反型層（溝道），開始從發(fā)射極電極下的N - 層注入電子。電子作為P+N-P晶體管的少數(shù)載流子，從集電極襯底P+層開始流入空穴，進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制（雙極工作），降低集電極 - 發(fā)射極間飽和電壓，使 IGBT 導(dǎo)通。當(dāng)在柵極施加一個負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N - 區(qū)內(nèi)，IGBT關(guān)斷。

       3、在新能源汽車電機(jī)驅(qū)動中的作用

       電能轉(zhuǎn)換：新能源汽車的電池輸出的是直流電，而電機(jī)需要的是三相交流電才能正常工作。IGBT作為逆變器的核心部件，能夠?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)換為交流電，為電機(jī)提供動力。

       功率控制：精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，實(shí)現(xiàn)汽車的加速、減速、爬坡等不同行駛狀態(tài)。通過快速的開關(guān)動作，根據(jù)駕駛員的操作指令和車輛的行駛需求，實(shí)時調(diào)整電機(jī)的輸入功率。

       能量回收：在汽車制動過程中，IGBT可以將電機(jī)產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并回饋給電池，實(shí)現(xiàn)能量的回收和再利用，提高能源的利用效率，增加電動汽車的續(xù)航里程。

       IGBT 功率模塊散熱的重要性

       IGBT功率模塊在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，如果不能及時有效地將這些熱量散發(fā)出去，將會對其性能和壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。具體表現(xiàn)為：

       性能下降：過高的溫度會導(dǎo)致IGBT的導(dǎo)通電阻增大，開關(guān)損耗增加，從而降低其效率和輸出功率。同時，高溫還會影響IGBT的電氣特性，如閾值電壓、飽和壓降等，使逆變器的控制精度下降。

       壽命縮短：長期在高溫環(huán)境下工作，會加速IGBT功率模塊內(nèi)部材料的老化和損壞，如半導(dǎo)體芯片的熱疲勞、封裝材料的熱膨脹等。這些都會導(dǎo)致IGBT的可靠性降低，壽命縮短。

       因此，為了保證IGBT功率模塊的正常工作和長期可靠性，必須采取有效的散熱措施。

       金剛石的獨(dú)特性能

       金剛石作為一種超硬材料，具有許多獨(dú)特的性能，使其在IGBT功率模塊散熱中具有很大的優(yōu)勢。

       高導(dǎo)熱性能：金剛石具有目前所知的天然物質(zhì)中最高的熱導(dǎo)率，可達(dá)到2000 W/m?K 左右，是銅和銀的 4-5倍。這種高導(dǎo)熱性能使得金剛石能夠快速地將IGBT功率模塊產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去，有效地降低模塊的溫度。

       低熱膨脹系數(shù)：金剛石具有較低的熱膨脹系數(shù)，這意味著在溫度變化時，金剛石的尺寸變化相對較小。在IGBT功率模塊中，金剛石與其他材料（如金屬封裝材料、半導(dǎo)體芯片等）結(jié)合使用時，低熱膨脹系數(shù)可以減少因溫度變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，提高散熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

       良好的熱穩(wěn)定性：金剛石具有耐高溫、耐腐蝕、抗輻照等優(yōu)異性能，在高溫環(huán)境下仍能保持良好的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性。IGBT功率模塊在工作時會產(chǎn)生較高的溫度，金剛石的熱穩(wěn)定性能夠確保其在高溫條件下持續(xù)有效地發(fā)揮散熱作用，不會因?yàn)闇囟鹊纳叨l(fā)生性能的退化或結(jié)構(gòu)的損壞。

       聲子輸運(yùn)優(yōu)勢：在金剛石中，熱量主要通過聲子（晶格振動）傳輸。金剛石晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和硬度，使得聲子在晶格中傳播時受到的阻尼很小，因此能夠以很高的速度傳輸熱量。與金屬材料中通過自由電子傳導(dǎo)熱量的方式相比，金剛石的聲子導(dǎo)熱機(jī)制在高溫和高功率條件下具有更好的穩(wěn)定性和高效性，能夠適應(yīng)IGBT功率模塊在工作時的復(fù)雜熱環(huán)境。

       IGBT 的市場規(guī)模和發(fā)展趨勢

       全球市場規(guī)模：近年來，IGBT的全球市場規(guī)模呈現(xiàn)出不斷增長的態(tài)勢。在2018 年，全球IGBT市場規(guī)模達(dá)58.36億美元。到2022年，天風(fēng)證券研報顯示全球IGBT市場規(guī)模達(dá)到60億美元。不過不同機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可能會略有差異，但整體上都反映出IGBT市場的持續(xù)擴(kuò)大。

       中國市場規(guī)模：中國是全球最大的IGBT市場。2018年國內(nèi)IGBT市場規(guī)模達(dá)261.9億元，較2017年的132.5億元大增97.66%。隨著國內(nèi)新能源汽車、軌道交通、工業(yè)控制等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對IGBT的需求不斷增加，推動了中國IGBT市場規(guī)模的迅速增長。根據(jù)預(yù)測，未來中國IGBT市場規(guī)模仍將保持較高的增長率。

       需求增長方面：

       新能源汽車領(lǐng)域：新能源汽車市場的快速發(fā)展是IGBT需求增長的主要驅(qū)動力之一。IGBT模塊占電動汽車成本將近10%，在電動汽車的電動控制系統(tǒng)、車載空調(diào)控制系統(tǒng)以及充電樁等設(shè)備中都起著關(guān)鍵作用。隨著全球電動汽車銷量的不斷攀升，對 IGBT 的需求將持續(xù)增加。

       工業(yè)自動化領(lǐng)域：在工業(yè)自動化領(lǐng)域，IGBT廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制、變頻器、電源等設(shè)備中。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，以及智能制造的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域?qū)?IGBT 的需求也在不斷擴(kuò)大。

       新能源發(fā)電領(lǐng)域：在太陽能光伏逆變器和風(fēng)力發(fā)電變流器等新能源發(fā)電設(shè)備中，IGBT是核心器件之一。隨著全球?qū)稍偕茉吹闹匾暫托履茉窗l(fā)電裝機(jī)容量的不斷增加，新能源發(fā)電領(lǐng)域?qū)GBT的需求也在快速增長。

       技術(shù)發(fā)展方面：

       （1）材料創(chuàng)新：新型半導(dǎo)體材料的研發(fā)和應(yīng)用是IGBT技術(shù)發(fā)展的重要方向。例如，金剛石、目前，采用SiC材料的IGBT已經(jīng)開始逐步應(yīng)用于一些高端領(lǐng)域，未來金剛石有望進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等材料具有更高的電子遷移率、更低的導(dǎo)通電阻和更好的熱性能，能夠顯著提高IGBT的性能。。

       （2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化：為了提高IGBT的性能和可靠性，研究人員不斷探索新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。例如，多電平結(jié)構(gòu)、無橋臂結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)的IGBT可以實(shí)現(xiàn)更高的電壓承受能力、更低的開關(guān)損耗和更簡單的電路設(shè)計(jì)。

       （3）集成化和智能化：IGBT將不斷向集成化和智能化方向發(fā)展。集成化可以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，降低成本和體積；智能化則可以實(shí)現(xiàn)對IGBT的實(shí)時監(jiān)測和控制，提高系統(tǒng)的效率和性能。

       市場競爭方面：

       國產(chǎn)化加速：目前，全球IGBT市場主要由國際巨頭壟斷，如英飛凌、三菱電機(jī)等。但中國IGBT企業(yè)正在快速崛起，如比亞迪已經(jīng)發(fā)展到了IGBT 4.0（相當(dāng)于國際第五代）技術(shù)，斯達(dá)半導(dǎo)也已經(jīng)發(fā)展到了第六代IGBT技術(shù)。隨著國內(nèi)企業(yè)技術(shù)水平的不斷提高和產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大，IGBT的國產(chǎn)化率將不斷提高，國內(nèi)企業(yè)在國內(nèi)市場的份額將逐漸增加，并有望在國際市場上取得更大的突破。

       行業(yè)整合加?。簽榱颂岣呤袌龈偁幜蛿U(kuò)大市場份額，IGBT行業(yè)內(nèi)的企業(yè)之間的并購和合作將不斷加劇。國際巨頭將通過并購和合作來鞏固自己的市場地位，國內(nèi)企業(yè)也將通過整合資源來提高自己的技術(shù)水平和產(chǎn)能規(guī)模。

       無疑，新能源汽車的快速發(fā)展對IGBT功率模塊的性能和可靠性提出了更高的要求，而散熱問題是制約IGBT功率模塊發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。金剛石作為一種具有高導(dǎo)熱性能、低熱膨脹系數(shù)、良好熱穩(wěn)定性和聲子輸運(yùn)優(yōu)勢的材料，在新能源汽車IGBT功率模塊散熱中具有巨大的潛力。