簡(jiǎn)單講，是一個(gè)非通即斷的開(kāi)關(guān)，IGBT沒(méi)有放大電壓的功能，導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線(xiàn)，斷開(kāi)時(shí)當(dāng)做開(kāi)路。IGBT融合了BJT和MOSFET的兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，如驅(qū)動(dòng)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(guò)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请娏﹄娮友b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(wèn)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(dòng)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(guò)程中，可以通過(guò)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(duì)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：

 

②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(guò)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(mǎn)足：驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,以降低成本與開(kāi)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(lái)的研究，導(dǎo)致了IGBT的發(fā)明。 

 

1985年前后美國(guó)GE成功試制工業(yè)樣品（可惜后來(lái)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(chǎng)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(zhǎng)技術(shù)、區(qū)熔硅單晶；

 

 

其發(fā)展趨勢(shì)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(kāi)關(guān)損耗 (Eoff Eon)。同一代技術(shù)中通態(tài)損耗與開(kāi)關(guān)損耗兩者相互矛盾,互為消長(zhǎng)。

 

 

IGBT模塊按封裝工藝來(lái)看主要可分為焊接式與壓接式兩類(lèi)。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(xiàn)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(lái)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(shì)：

 

無(wú)焊接、 無(wú)引線(xiàn)鍵合及無(wú)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(dòng)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(chē)電子)、航空航天、國(guó)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(chē)等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。

 

 

1）新能源汽車(chē)

 

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

 

A）電動(dòng)控制系統(tǒng) 大功率直流/交流(DC/AC)逆變后驅(qū)動(dòng)汽車(chē)電機(jī)；

 

B）車(chē)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(kāi)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(lái)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(lái)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(lái)看，IGBT是電力電子變壓器（PET）的關(guān)鍵器件。

 

從用電端來(lái)看，家用白電、 微波爐、 LED照明驅(qū)動(dòng)等都對(duì)IGBT有大量的需求。

 

 

3）軌道交通

 

IGBT器件已成為軌道交通車(chē)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(dòng)技術(shù)是現(xiàn)代軌道交通的核心技術(shù)之一，在交流傳動(dòng)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(guó)內(nèi)外市場(chǎng)規(guī)模

 

2015年國(guó)際IGBT市場(chǎng)規(guī)模約為48億美元，預(yù)計(jì)到2020年市場(chǎng)規(guī)模可以達(dá)到80億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率約10%。2014年國(guó)內(nèi)IGBT銷(xiāo)售額是88.7億元，約占全球市場(chǎng)的1∕3。預(yù)計(jì)2020年中國(guó)IGBT市場(chǎng)規(guī)模將超200億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率約為15%。

 

從公司來(lái)看，國(guó)外研發(fā)IGBT器件的公司主要有英飛凌、 ABB、三菱、西門(mén)康、東芝、富士等。中國(guó)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)占世界市場(chǎng)的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場(chǎng)上，90％主要依賴(lài)進(jìn)口，基本被國(guó)外歐美、日本企業(yè)壟斷。

 

 

國(guó)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(jí)的工業(yè)IGBT領(lǐng)域占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；在3300V以上電壓等級(jí)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(guó)際領(lǐng)先水平。

 

西門(mén)康、仙童等在1700V及以下電壓等級(jí)的消費(fèi)IGBT領(lǐng)域處于優(yōu)勢(shì)地位。

 

 

盡管我國(guó)擁有最大的功率半導(dǎo)體市場(chǎng)，但是目前國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體產(chǎn)品的研發(fā)與國(guó)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(guó)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(chǎng)集中度。跟國(guó)內(nèi)廠商相比，英飛凌、 三菱和富士電機(jī)等國(guó)際廠商占有絕對(duì)的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。形成這種局面的原因主要是：

 

國(guó)際廠商起步早，研發(fā)投入大，形成了較高的專(zhuān)利壁壘。

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

 

 

中國(guó)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(shì)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(lái)說(shuō)，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(cè)試等IGBT產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)仍掌握在發(fā)達(dá)國(guó)家企業(yè)手中。

 

 

近幾年中國(guó)IGBT產(chǎn)業(yè)在國(guó)家政策推動(dòng)及市場(chǎng)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(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程加快，有望擺脫進(jìn)口依賴(lài)。

 

 

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