超硬材料网

       在新能源汽车蓬勃发展的今天，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）功率模块作为新能源汽车电机驱动的核心元件，其性能和可靠性至关重要。而金刚石，这种被誉为 “硬度之王” 的神奇材料，正逐渐在新能源汽车IGBT功率模块散热领域展现出巨大的潜力。

        IGBT 在新能源汽车中的核心地位

       1、定义与基本结构：

       定义：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。它兼具MOSFET的高输入阻抗、控制简单、开关速度快等优点，以及BJT的低导通压降、大电流密度等优点，能够实现大电流、高电压的开关控制。

       结构：主要由三部分组成。一是金属氧化物半导体氧化层（MOS），这是IGBT的核心部分，可通过控制电路来控制其电流和电压等参数；二是双极型晶体管（BJT），由两个双极型晶体管构成，能够产生高功率；三是绝缘层，起到保护IGBT元件免受外界环境侵蚀和损坏的作用。

       2、工作原理

       当在IGBT的栅极 - 发射极间加阈值电压以上的正电压时，在栅极电极正下方的P层上会形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的N - 层注入电子。电子作为P+N-P晶体管的少数载流子，从集电极衬底P+层开始流入空穴，进行电导率调制（双极工作），降低集电极 - 发射极间饱和电压，使 IGBT 导通。当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N - 区内，IGBT关断。

       3、在新能源汽车电机驱动中的作用

       电能转换：新能源汽车的电池输出的是直流电，而电机需要的是三相交流电才能正常工作。IGBT作为逆变器的核心部件，能够将直流电转换为交流电，为电机提供动力。

       功率控制：精确控制电机的转速和扭矩，实现汽车的加速、减速、爬坡等不同行驶状态。通过快速的开关动作，根据驾驶员的操作指令和车辆的行驶需求，实时调整电机的输入功率。

       能量回收：在汽车制动过程中，IGBT可以将电机产生的交流电转换为直流电，并回馈给电池，实现能量的回收和再利用，提高能源的利用效率，增加电动汽车的续航里程。

       IGBT 功率模块散热的重要性

       IGBT功率模块在工作过程中会产生大量的热量，如果不能及时有效地将这些热量散发出去，将会对其性能和寿命产生严重的影响。具体表现为：

       性能下降：过高的温度会导致IGBT的导通电阻增大，开关损耗增加，从而降低其效率和输出功率。同时，高温还会影响IGBT的电气特性，如阈值电压、饱和压降等，使逆变器的控制精度下降。

       寿命缩短：长期在高温环境下工作，会加速IGBT功率模块内部材料的老化和损坏，如半导体芯片的热疲劳、封装材料的热膨胀等。这些都会导致IGBT的可靠性降低，寿命缩短。

       因此，为了保证IGBT功率模块的正常工作和长期可靠性，必须采取有效的散热措施。

       金刚石的独特性能

       金刚石作为一种超硬材料，具有许多独特的性能，使其在IGBT功率模块散热中具有很大的优势。

       高导热性能：金刚石具有目前所知的天然物质中最高的热导率，可达到2000 W/m・K 左右，是铜和银的 4-5倍。这种高导热性能使得金刚石能够快速地将IGBT功率模块产生的热量传导出去，有效地降低模块的温度。

       低热膨胀系数：金刚石具有较低的热膨胀系数，这意味着在温度变化时，金刚石的尺寸变化相对较小。在IGBT功率模块中，金刚石与其他材料（如金属封装材料、半导体芯片等）结合使用时，低热膨胀系数可以减少因温度变化而产生的热应力和机械应力，提高散热系统的稳定性和可靠性。

       良好的热稳定性：金刚石具有耐高温、耐腐蚀、抗辐照等优异性能，在高温环境下仍能保持良好的结构和性能稳定性。IGBT功率模块在工作时会产生较高的温度，金刚石的热稳定性能够确保其在高温条件下持续有效地发挥散热作用，不会因为温度的升高而发生性能的退化或结构的损坏。

       声子输运优势：在金刚石中，热量主要通过声子（晶格振动）传输。金刚石晶体结构的稳定性和硬度，使得声子在晶格中传播时受到的阻尼很小，因此能够以很高的速度传输热量。与金属材料中通过自由电子传导热量的方式相比，金刚石的声子导热机制在高温和高功率条件下具有更好的稳定性和高效性，能够适应IGBT功率模块在工作时的复杂热环境。

       IGBT 的市场规模和发展趋势

       全球市场规模：近年来，IGBT的全球市场规模呈现出不断增长的态势。在2018 年，全球IGBT市场规模达58.36亿美元。到2022年，天风证券研报显示全球IGBT市场规模达到60亿美元。不过不同机构的统计数据可能会略有差异，但整体上都反映出IGBT市场的持续扩大。

       中国市场规模：中国是全球最大的IGBT市场。2018年国内IGBT市场规模达261.9亿元，较2017年的132.5亿元大增97.66%。随着国内新能源汽车、轨道交通、工业控制等领域的快速发展，对IGBT的需求不断增加，推动了中国IGBT市场规模的迅速增长。根据预测，未来中国IGBT市场规模仍将保持较高的增长率。

       需求增长方面：

       新能源汽车领域：新能源汽车市场的快速发展是IGBT需求增长的主要驱动力之一。IGBT模块占电动汽车成本将近10%，在电动汽车的电动控制系统、车载空调控制系统以及充电桩等设备中都起着关键作用。随着全球电动汽车销量的不断攀升，对 IGBT 的需求将持续增加。

       工业自动化领域：在工业自动化领域，IGBT广泛应用于电机控制、变频器、电源等设备中。随着工业自动化程度的不断提高，以及智能制造的发展，工业领域对 IGBT 的需求也在不断扩大。

       新能源发电领域：在太阳能光伏逆变器和风力发电变流器等新能源发电设备中，IGBT是核心器件之一。随着全球对可再生能源的重视和新能源发电装机容量的不断增加，新能源发电领域对IGBT的需求也在快速增长。

       技术发展方面：

       （1）材料创新：新型半导体材料的研发和应用是IGBT技术发展的重要方向。例如，金刚石、目前，采用SiC材料的IGBT已经开始逐步应用于一些高端领域，未来金刚石有望进一步扩大应用范围碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等材料具有更高的电子迁移率、更低的导通电阻和更好的热性能，能够显著提高IGBT的性能。。

       （2）结构优化：为了提高IGBT的性能和可靠性，研究人员不断探索新的结构设计。例如，多电平结构、无桥臂结构等新型结构的IGBT可以实现更高的电压承受能力、更低的开关损耗和更简单的电路设计。

       （3）集成化和智能化：IGBT将不断向集成化和智能化方向发展。集成化可以提高系统的可靠性和稳定性，降低成本和体积；智能化则可以实现对IGBT的实时监测和控制，提高系统的效率和性能。

       市场竞争方面：

       国产化加速：目前，全球IGBT市场主要由国际巨头垄断，如英飞凌、三菱电机等。但中国IGBT企业正在快速崛起，如比亚迪已经发展到了IGBT 4.0（相当于国际第五代）技术，斯达半导也已经发展到了第六代IGBT技术。随着国内企业技术水平的不断提高和产能的不断扩大，IGBT的国产化率将不断提高，国内企业在国内市场的份额将逐渐增加，并有望在国际市场上取得更大的突破。

       行业整合加剧：为了提高市场竞争力和扩大市场份额，IGBT行业内的企业之间的并购和合作将不断加剧。国际巨头将通过并购和合作来巩固自己的市场地位，国内企业也将通过整合资源来提高自己的技术水平和产能规模。

       无疑，新能源汽车的快速发展对IGBT功率模块的性能和可靠性提出了更高的要求，而散热问题是制约IGBT功率模块发展的关键因素之一。金刚石作为一种具有高导热性能、低热膨胀系数、良好热稳定性和声子输运优势的材料，在新能源汽车IGBT功率模块散热中具有巨大的潜力。