一文了解IGBT技術(shù)基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)知識

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IGBT(絕緣柵雙極型晶體管），是由 BJT(雙極結(jié)型晶體三極管) 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，其具有自關(guān)斷的特征。簡單講，是一個(gè)非通即斷的開關(guān)。

IGBT沒有放大電壓的功能，導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線，斷開時(shí)當(dāng)做開路。IGBT融合了BJT和MOSFET的兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，如驅(qū)動功率小和飽和壓降低等。

IGBT模塊是由IGBT與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品，具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)。

IGBT是能源轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)暮诵钠骷?a target="_blank">電力電子裝置的“CPU” 。采用IGBT進(jìn)行功率變換，能夠提高用電效率和質(zhì)量，具有高效節(jié)能和綠色環(huán)保的特點(diǎn)，是解決能源短缺問題和降低碳排放的關(guān)鍵支撐技術(shù)。

IGBT是以GTR為主導(dǎo)元件，MOSFET為驅(qū)動元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的復(fù)合器件。其外部有三個(gè)電極，分別為G-柵極，C-集電極，E-發(fā)射極。

在IGBT使用過程中，可以通過控制其集-射極電壓UCE和柵-射極電壓UGE的大小，從而實(shí)現(xiàn)對IGBT導(dǎo)通/關(guān)斷/阻斷狀態(tài)的控制。

1）當(dāng)IGBT柵-射極加上加0或負(fù)電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)溝道消失，IGBT呈關(guān)斷狀態(tài)。

2）當(dāng)集-射極電壓UCE＜0時(shí)，J3的PN結(jié)處于反偏，IGBT呈反向阻斷狀態(tài)。

3）當(dāng)集-射極電壓UCE＞0時(shí)，分兩種情況：

①若柵-射極電壓UGE＜Uth，溝道不能形成，IGBT呈正向阻斷狀態(tài)。

②若柵-射極電壓UGE＞Uth ，柵極溝道形成，IGBT呈導(dǎo)通狀態(tài)（正常工作）。此時(shí)，空穴從P+區(qū)注入到N基區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少N基區(qū)電阻RN的值，使IGBT通態(tài)壓降降低。

IGBT各世代的技術(shù)差異

回顧功率器件過去幾十年的發(fā)展，1950-60年代雙極型器件SCR,GTR,GTO，該時(shí)段的產(chǎn)品通態(tài)電阻很小；電流控制，控制電路復(fù)雜且功耗大；1970年代單極型器件VD-MOSFET。但隨著終端應(yīng)用的需求，需要一種新功率器件能同時(shí)滿足：驅(qū)動電路簡單,以降低成本與開關(guān)功耗、通態(tài)壓降較低，以減小器件自身的功耗。1980年代初,試圖把MOS與BJT技術(shù)集成起來的研究，導(dǎo)致了IGBT的發(fā)明。

1985年前后美國GE成功試制工業(yè)樣品（可惜后來放棄）。自此以后， IGBT主要經(jīng)歷了6代技術(shù)及工藝改進(jìn)。

從結(jié)構(gòu)上講，IGBT主要有三個(gè)發(fā)展方向：

1）IGBT縱向結(jié)構(gòu)：非透明集電區(qū)NPT型、帶緩沖層的PT型、透明集電區(qū)NPT型和FS電場截止型；2）IGBT柵極結(jié)構(gòu)：平面柵機(jī)構(gòu)、Trench溝槽型結(jié)構(gòu)；3）硅片加工工藝：外延生長技術(shù)、區(qū)熔硅單晶；

其發(fā)展趨勢是：①降低損耗 ②降低生產(chǎn)成本

總功耗＝ 通態(tài)損耗 (與飽和電壓 VCEsat有關(guān))+開關(guān)損耗 (Eoff Eon)。同一代技術(shù)中通態(tài)損耗與開關(guān)損耗兩者相互矛盾,互為消長。

IGBT模塊按封裝工藝來看主要可分為焊接式與壓接式兩類。高壓IGBT模塊一般以標(biāo)準(zhǔn)焊接式封裝為主，中低壓IGBT模塊則出現(xiàn)了很多新技術(shù)，如燒結(jié)取代焊接，壓力接觸取代引線鍵合的壓接式封裝工藝。

隨著IGBT芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的最高工作結(jié)溫與功率密度不斷提高， IGBT模塊技術(shù)也要與之相適應(yīng)。未來IGBT模塊技術(shù)將圍繞芯片背面焊接固定與正面電極互連 兩方面改進(jìn)。模塊技術(shù)發(fā)展趨勢：

無焊接、 無引線鍵合及無襯板/基板封裝技術(shù)；

內(nèi)部集成溫度傳感器、電流傳感器及驅(qū)動電路等功能元件，不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度。

IGBT的主要應(yīng)用領(lǐng)域

作為新型功率半導(dǎo)體器件的主流器件，IGBT已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、 4C(通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、汽車電子)、航空航天、國防軍工等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，以及軌道交通、新能源、智能電網(wǎng)、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。

1）新能源汽車

IGBT模塊在電動汽車中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是電動汽車及充電樁等設(shè)備的核心技術(shù)部件。IGBT模塊占電動汽車成本將近10%，占充電樁成本約20%。IGBT主要應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域中以下幾個(gè)方面：

A）電動控制系統(tǒng) 大功率直流/交流(DC/AC)逆變后驅(qū)動汽車電機(jī)；B）車載空調(diào)控制系統(tǒng) 小功率直流/交流(DC/AC)逆變，使用電流較小的IGBT和FRD；C）充電樁 智能充電樁中IGBT模塊被作為開關(guān)元件使用；

2）智能電網(wǎng)

IGBT廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)的發(fā)電端、輸電端、變電端及用電端：

從發(fā)電端來看，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電中的整流器和逆變器都需要使用IGBT模塊。

從輸電端來看，特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術(shù)需要大量使用IGBT等功率器件。

從變電端來看，IGBT是電力電子變壓器（PET）的關(guān)鍵器件。

從用電端來看，家用白電、 微波爐、 LED照明驅(qū)動等都對IGBT有大量的需求。

3）軌道交通

IGBT器件已成為軌道交通車輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。交流傳動技術(shù)是現(xiàn)代軌道交通的核心技術(shù)之一，在交流傳動系統(tǒng)中牽引變流器是關(guān)鍵部件，而IGBT又是牽引變流器最核心的器件之一。

IGBT國內(nèi)外市場規(guī)模

2015年國際IGBT市場規(guī)模約為48億美元，預(yù)計(jì)到2020年市場規(guī)?？梢赃_(dá)到80億美元，年復(fù)合增長率約10%。2014年國內(nèi)IGBT銷售額是88.7億元，約占全球市場的1∕3。預(yù)計(jì)2020年中國IGBT市場規(guī)模將超200億元，年復(fù)合增長率約為15%。

從公司來看，國外研發(fā)IGBT器件的公司主要有英飛凌、 ABB、三菱、西門康、東芝、富士等。中國功率半導(dǎo)體市場占世界市場的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場上，90％主要依賴進(jìn)口，基本被國外歐美、日本企業(yè)壟斷。

國外企業(yè)如英飛凌、 ABB、三菱等廠商研發(fā)的IGBT器件產(chǎn)品規(guī)格涵蓋電壓600V-6500V，電流2A-3600A，已形成完善的IGBT產(chǎn)品系列。

英飛凌、 三菱、 ABB在1700V以上電壓等級的工業(yè)IGBT領(lǐng)域占絕對優(yōu)勢；在3300V以上電壓等級的高壓IGBT技術(shù)領(lǐng)域幾乎處于壟斷地位。在大功率溝槽技術(shù)方面，英飛凌與三菱公司處于國際領(lǐng)先水平。

西門康、仙童等在1700V及以下電壓等級的消費(fèi)IGBT領(lǐng)域處于優(yōu)勢地位。

盡管我國擁有最大的功率半導(dǎo)體市場，但是目前國內(nèi)功率半導(dǎo)體產(chǎn)品的研發(fā)與國際大公司相比還存在很大差距，特別是IGBT等高端器件差距更加明顯。核心技術(shù)均掌握在發(fā)達(dá)國家企業(yè)手中，IGBT技術(shù)集成度高的特點(diǎn)又導(dǎo)致了較高的市場集中度。跟國內(nèi)廠商相比，英飛凌、 三菱和富士電機(jī)等國際廠商占有絕對的市場優(yōu)勢。形成這種局面的原因主要是：

國際廠商起步早，研發(fā)投入大，形成了較高的專利壁壘。

國外高端制造業(yè)水平比國內(nèi)要高很多，一定程度上支撐了國際廠商的技術(shù)優(yōu)勢。

中國功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須改變目前技術(shù)處于劣勢的局面，特別是要在產(chǎn)業(yè)鏈上游層面取得突破，改變目前功率器件領(lǐng)域封裝強(qiáng)于芯片的現(xiàn)狀。

總的來說，在技術(shù)差距方面有：高鐵、智能電網(wǎng)、新能源與高壓變頻器等領(lǐng)域所采用的IGBT模塊規(guī)格在6500V以上，技術(shù)壁壘較強(qiáng)；IGBT芯片設(shè)計(jì)制造、模塊封裝、失效分析、測試等IGBT產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)仍掌握在發(fā)達(dá)國家企業(yè)手中。

近幾年中國IGBT產(chǎn)業(yè)在國家政策推動及市場牽引下得到迅速發(fā)展，已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整產(chǎn)業(yè)鏈，IGBT國產(chǎn)化的進(jìn)程加快，有望擺脫進(jìn)口依賴。

受益于新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)等各種利好措施，IGBT市場將引來爆發(fā)點(diǎn)。希望國產(chǎn)IGBT企業(yè)能從中崛起。

審核編輯 ：李倩