【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》

IGBT是绝缘栅双极型晶体管。IGBT全称“Insulated Gate Bipolar Transistor”。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。IGBT的特点是高耐压、导通压降低、开关速度快、驱动功率小。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品；封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上；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。

作用：

IGBT在逆变器中的基本作用是做为高速无触点电子开关。

工作原理：

利用IGBT的开关原理，利用控制电路给予适当的开通、关断信号，IGBT就能根据你的控制信号将直流电变换成交流电，直流电转换成交流电后电压会降低，例如火车供电系统的600V直流就是将380V交流整流而成，IGBT逆变器驱动板的作用就是将这个过程的再还原。同时可以通过控制信号的脉宽调节来控制电流的大小，也可以控制交流频率，从而控制电机的转速。

IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上。

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。

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