【P001】IGBT技术

IGBT芯片技术发展

从20世纪80年代至今，IGBT芯片经历了7代升级，从平面穿通型(PT)到沟槽型电场-截止型(FS-Trench)，芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗等各项指标经历了不断的优化，断态电压也从600V提高到6500V以上。IGBT技术的整体发展趋势是大电流、高电压、低损耗、高频率、功能集成化、高可靠性。

不同代际IGBT芯片产品对比

随着技术的升级，IGBT芯片面积、工艺线宽、通态功耗、关断时间、开关功耗均不断减小，断态电压由第一代的600V升至第七代7000V。

不同代际的IGBT芯片产品应用情况也有所不同：

中国IGBT芯片企业技术布局

中国IGBT产品与国际巨头英飞凌、三菱电机等差距在10年以上，步入第5代后，预计差距将缩短为10年，第6/7代产品差距将在5年以内。从中国IGBT芯片行业代表性企业从技术格局来看，斯达半导应用第七代IGBT技术，电压覆盖范围为100-3300V华微电子布局第六代IGBT技术，电压覆盖范围为360-1350V士兰微、时代电气、宏微科技应用第五代IGBT技术新洁能主要应用第四代IGBT技术。

IGBT芯片行业科研投入水平

以宏微科技、斯达半导、士兰微、时代电气为主要代表企业分析，2018-2021年，我国IGBT芯片行业研发费用从0.1元到19亿元不等，研发费用占营业收入比重整体不超过15%。其中，时代电气在科研投入规模和占比均位于行业前列，2021年，公司研发投入为17.85亿元，占收入比重的11.81%。

IGBT芯片技术“门槛”高，不仅涉及设计、制造、封装三个高精尖技术领域，而且难度大、周期长、投入高。高铁、智能电网、新能源与高压变频器等领域所采用的IGBT模块规格在6500V以上，技术壁垒较强IGBT芯片设计制造、模块封装、失效分析、测试等IGBT产业核心技术仍掌握在发达国家企业手中。我国要想实现IGBT芯片的技术突破，企业需要持续增加研发投入，减少与国际头部厂商IGBT芯片的代际差异。

中国IGBT芯片行业技术趋势

从行业整体发展规律而言，IGBT发展趋势主要是降低损耗和降低成本。

从结构上讲，IGBT主要有三个发展方向：

1)IGBT纵向结构：非透明集电区NPT型、带缓冲层的PT型、透明集电区NPT型和FS电场截止型

2)IGBT棚极结构：平面棚机构、Trench沟槽型结构

3)硅片加工工艺：外延生长技术、区熔硅单晶。

以上数据来源于前瞻产业研究院《中国IGBT芯片行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》

一般来说，Igbt复合封装的多。因为它都工作在大电流。高功率。高电压的条件下。所以当一个管的功率不足时。往往会多管使用。为了保证两个管的参数完全一致。避免出现一个性能弱。一个强的情况发生。会把同批次同一硅片上的管子进行多管复合封装。这样就保证了管子的质量。就会出现你看到的样子。

同时符合封装还有安装方便的特点。布线也容易。一但其中的一个坏了。考虑到安全使用。另一个管可能也会受到冲击。所以一起换掉更保险。

另外还有多管复合封装的。只是你没有看见。

IGBT是英文单词Insulated Gate Bipolar Transistor，它的中文意思是绝缘栅双极型晶体管。

从功能上来说，IGBT就是一个电路开关，优点就是用电压控制，饱和压降小，耐压高。用在电压几十到几百伏量级、电流几十到几百安量级的强电上的。而且IGBT不用机械按钮，它是由计算机控制的。

所以有了IGBT这种开关，就可以设计出一类电路，通过计算机控制IGBT，把电源侧的交流电变成给定电压的直流电，或是把各种电变成所需频率的交流电，给负载使用。这类电路统称变换器。

IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块；随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见；

IGBT是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。

扩展资料；

方法

IGBT是将强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。

虽然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。

导通

IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)。其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和 N+ 区之间创建了一个J1结。

当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率 MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流)； 一个空穴电流(双极)。

关断

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。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子(少子)。

这种残余电流值(尾流)的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。

鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。

参考资料：百度百科-IGBT

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