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什么是IGBT?
來源: | 作者:北京京誠宏泰 | 發布時間: 1031天前 | 1620 次瀏覽 | 分享到:

IGBT(絕緣柵雙極型晶體管),是由 BJT(雙極結型晶體三極管) 和 MOS(絕緣柵型場效應管) 組成的復合全控型-電壓驅動式-功率半導體器件,其具有自關斷的特征。簡單講,是一個非通即斷的開關,IGBT沒有放大電壓的功能,導通時可以看做導線,斷開時當做開路。IGBT融合了BJT和MOSFET的兩種器件的優點,如驅動功率小和飽和壓降低等。

IGBT模塊是由IGBT與FWD(續流二極管芯片)通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品,具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點。

IGBT是能源轉換與傳輸的核心器件,是電力電子裝置的“CPU” 。采用IGBT進行功率變換,能夠提高用電效率和質量,具有高效節能和綠色環保的特點,是解決能源短缺問題和降低碳排放的關鍵支撐技術。

IGBT是以GTR為主導元件,MOSFET為驅動元件的達林頓結構的復合器件。其外部有三個電極,分別為G-柵極,C-集電極,E-發射極。

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,從而實現對IGBT導通/關斷/阻斷狀態的控制。

1)當IGBT柵-射極加上加0或負電壓時,MOSFET內溝道消失,IGBT呈關斷狀態。

2)當集-射極電壓UCE<0時,J3的PN結處于反偏,IGBT呈反向阻斷狀態。

3)當集-射極電壓UCE>0時,分兩種情況:

②若柵-射極電壓UGE<Uth,溝道不能形成,IGBT呈正向阻斷狀態。

②若柵-射極電壓UGE>Uth ,柵極溝道形成,IGBT呈導通狀態(正常工作)。此時,空穴從P+區注入到N基區進行電導調制,減少N基區電阻RN的值,使IGBT通態壓降降低。

IGBT各世代的技術差異

回顧功率器件過去幾十年的發展,1950-60年代雙極型器件SCR,GTR,GTO(參數|圖片),該時段的產品通態電阻很小;電流控制,控制電路復雜且功耗大;1970年代單極型器件VD-MOSFET。但隨著終端應用的需求,需要一種新功率器件能同時滿足:驅動電路簡單,以降低成本與開關功耗、通態壓降較低,以減小器件自身的功耗。1980年代初,試圖把MOS與BJT技術集成起來的研究,導致了IGBT的發明。

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

從結構上講,IGBT主要有三個發展方向:

1)IGBT縱向結構:非透明集電區NPT型、帶緩沖層的PT型、透明集電區NPT型和FS電場截止型;

2)IGBT柵極結構:平面柵機構、Trench溝槽型結構;

3)硅片加工工藝:外延生長技術、區熔硅單晶;

其發展趨勢是:①降低損耗 ②降低生產成本

總功耗= 通態損耗 (與飽和電壓 VCEsat有關)+開關損耗 (Eoff Eon)。同一代技術中通態損耗與開關損耗兩者相互矛盾,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模塊一般以標準焊接式封裝為主,中低壓IGBT模塊則出現了很多新技術,如燒結取代焊接,壓力接觸取代引線鍵合的壓接式封裝工藝。

隨著IGBT芯片技術的不斷發展,芯片的最高工作結溫與功率密度不斷提高, IGBT模塊技術也要與之相適應。未來IGBT模塊技術將圍繞 芯片背面焊接固定 與 正面電極互連 兩方面改進。模塊技術發展趨勢:

  • 無焊接、 無引線鍵合及無襯板/基板封裝技術;
  • 內部集成溫度傳感器、電流傳感器及驅動電路等功能元件,不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度。

IGBT的主要應用領域

作為新型功率半導體器件的主流器件,IGBT已廣泛應用于工業、 4C(通信、計算機、消費電子、汽車電子)、航空航天、國防軍工等傳統產業領域,以及軌道交通、新能源、智能電網、新能源汽車等戰略性新興產業領域。

1)新能源汽車

IGBT模塊在電動汽車中發揮著至關重要的作用,是電動汽車及充電樁等設備的核心技術部件。IGBT模塊占電動汽車成本將近10%,占充電樁成本約20%。IGBT主要應用于電動汽車領域中以下幾個方面:

A)電動控制系統 大功率直流/交流(DC/AC)逆變后驅動汽車電機;

B)車載空調控制系統 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模塊被作為開關元件使用;

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2)智能電網

IGBT廣泛應用于智能電網的發電端、輸電端、變電端及用電端:

  • 從發電端來看,風力發電、光伏發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)的關鍵器件。
  • 從用電端來看,家用白電、 微波爐、 LED照明驅動等都對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。交流傳動技術是現代軌道交通的核心技術之一,在交流傳動系統中牽引變流器是關鍵部件,而IGBT又是牽引變流器最核心的器件之一。

IGBT國內外市場規模

2015年國際IGBT市場規模約為48億美元,預計到2020年市場規模可以達到80億美元,年復合增長率約10%。2014年國內IGBT銷售額是88.7億元,約占全球市場的1∕3。預計2020年中國IGBT市場規模將超200億元,年復合增長率約為15%。

從公司來看,國外研發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%主要依賴進口,基本被國外歐美、日本企業壟斷。

國外企業如英飛凌、 ABB、三菱等廠商研發的IGBT器件產品規格涵蓋電壓600V-6500V,電流2A-3600A,已形成完善的IGBT產品系列。

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

西門康、仙童等在1700V及以下電壓等級的消費IGBT領域處于優勢地位。

盡管我國擁有最大的功率半導體市場,但是目前國內功率半導體產品的研發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。核心技術均掌握在發達國家企業手中,IGBT技術集成度高的特點又導致了較高的市場集中度。 跟國內廠商相比,英飛凌、 三菱和富士電機等國際廠商占有絕對的市場優勢。形成這種局面的原因主要是:

  • 國際廠商起步早,研發投入大,形成了較高的專利壁壘。
  • 國外高端制造業水平比國內要高很多,一定程度上支撐了國際廠商的技術優勢。

中國功率半導體產業的發展必須改變目前技術處于劣勢的局面,特別是要在產業鏈上游層面取得突破,改變目前功率器件領域封裝強于芯片的現狀。

總的來說,在技術差距方面有:高鐵、智能電網、新能源與高壓變頻器等領域所采用的IGBT模塊規格在6500V以上,技術壁壘較強;IGBT芯片設計制造、模塊封裝、失效分析、測試等IGBT產業核心技術仍掌握在發達國家企業手中。

近幾年中國IGBT產業在國家政策推動及市場牽引下得到迅速發展,已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整產業鏈,IGBT國產化的進程加快,有望擺脫進口依賴。

受益于新能源汽車、軌道交通、智能電網等各種利好措施,IGBT市場將引來爆發點。希望國產IGBT企業能從中崛起。

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