IGBT的原理、特點(diǎn)及發(fā)展方向

近年來(lái)，IGBT被廣泛關(guān)注，隨著技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用前景被廣泛看好，作為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)IGBT，在很多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

什么是IGBT？

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

IGBT的原理

IGBT是將強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進(jìn)化。由于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點(diǎn)。雖然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改進(jìn)了RDS(on)特性，但是在高電平時(shí)，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT 技術(shù)高出很多。較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個(gè)低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡(jiǎn)化IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理圖。

IGBT模塊的特點(diǎn)與應(yīng)用

IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）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；封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上；IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)；當(dāng)前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的多為此類(lèi)模塊化產(chǎn)品，一般所說(shuō)的IGBT也指IGBT模塊；隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進(jìn)，此類(lèi)產(chǎn)品在市場(chǎng)上將越來(lái)越多見(jiàn)；

IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱(chēng)電力電子裝置的“CPU”，作為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車(chē)與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣。

IGBT技術(shù)的幾大發(fā)展方向

1、低功率IGBT

IGBT應(yīng)用范圍一般都在600V、1KA、1KHz以上區(qū)域，為滿足家電行業(yè)的發(fā)展需求，摩托羅拉、ST半導(dǎo)體、三菱等公司推出低功率IGBT產(chǎn)品，實(shí)用于家電行業(yè)的微波爐、洗衣機(jī)、電磁灶、電子整流器、照相機(jī)等產(chǎn)品的應(yīng)用。

2、U-IGBT

U（溝槽結(jié)構(gòu)）--IGBT是在管芯上刻槽，芯片元胞內(nèi)部形成溝槽式柵極。采用溝道結(jié)構(gòu)后，可進(jìn)一步縮小元胞尺寸，減少溝道電阻，進(jìn)步電流密度，制造相同額定電流而芯片尺寸最少的產(chǎn)品?，F(xiàn)有多家公司生產(chǎn)各種U—IGBT產(chǎn)品，適用低電壓驅(qū)動(dòng)、表面貼裝的要求。

3、NPT-IGBT

NPT（非穿通型）--IGBT采用薄硅片技術(shù)，以離子注進(jìn)發(fā)射區(qū)代替高復(fù)雜、高本錢(qián)的厚層高阻外延，可降低生產(chǎn)本錢(qián)25%左右，耐壓越高本錢(qián)差越大，在性能上更具有特色，高速、低損耗、正溫度系數(shù)，無(wú)鎖定效應(yīng)，在設(shè)計(jì)600—1200V的IGBT時(shí)，NPT—IGBT可靠性最高。西門(mén)子公司可提供600V、1200V、1700V系列產(chǎn)品和6500V高壓IGBT，并推出低飽和壓降DLC型NPT—IGBT，依克賽斯、哈里斯、英特西爾、東芝等公司也相繼研制出NPT—IGBT及其模塊系列，富士電機(jī)、摩托羅拉等在研制之中，NPT型正成為IGBT發(fā)展方向。

4、SDB--IGBT

鑒于目前廠家對(duì)IGBT的開(kāi)發(fā)非常重視，三星、快捷等公司采用SDB（硅片直接鍵合）技術(shù)，在IC生產(chǎn)線上制作第四代高速I(mǎi)GBT及模塊系列產(chǎn)品，特點(diǎn)為高速，低飽和壓降，低拖尾電流，正溫度系數(shù)易于并聯(lián)，在600V和1200V電壓范圍性能優(yōu)良，分為UF、RUF兩大系統(tǒng)。

5、超快速I(mǎi)GBT

國(guó)際整流器IR公司的研發(fā)重點(diǎn)在于減少I(mǎi)GBT的拖尾效應(yīng)，使其能快速關(guān)斷，研制的超快速I(mǎi)GBT可最大限度地減少拖尾效應(yīng)，關(guān)斷時(shí)間不超過(guò)2000ns，采用特殊高能照射分層技術(shù)，關(guān)斷時(shí)間可在100ns以下，拖尾更短，重點(diǎn)產(chǎn)品專(zhuān)為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)，現(xiàn)有6種型號(hào)，另可用在大功率電源變換器中。

6、IGBT/FRD

IR公司在IGBT基礎(chǔ)上推出兩款結(jié)合FRD（快速恢復(fù)二極管）的新型器件，IGBT/FRD有效結(jié)合，將轉(zhuǎn)換狀態(tài)的損耗減少20%，采用TO—247外型封裝，額定規(guī)格為1200V、25、50、75、100A，用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)和功率轉(zhuǎn)換，以IGBT及FRD為基礎(chǔ)的新技術(shù)便于器件并聯(lián)，在多芯片模塊中實(shí)現(xiàn)更均勻的溫度，進(jìn)步整體可靠性。

7、IGBT功率模塊

IGBT功率模塊采用IC驅(qū)動(dòng)，各種驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，高性能IGBT芯片，新型封裝技術(shù)，從復(fù)合功率模塊PIM發(fā)展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發(fā)展，其產(chǎn)品水平為1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于變頻調(diào)速外，600A/2000V的IPM已用于電力機(jī)車(chē)VVVF逆變器。平面低電感封裝技術(shù)是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB，用于艦艇上的導(dǎo)彈發(fā)射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術(shù)組裝PEBB，大大降低電路接線電感，進(jìn)步系統(tǒng)效率，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)成功第二代IPEM，其中所有的無(wú)源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發(fā)展熱門(mén)。

綜述：國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求急劇上升曾使得IGBT市場(chǎng)一度被看好。雖然長(zhǎng)期來(lái)看，IGBT是一個(gè)值得期待的市場(chǎng)，可是到目前為止IGBT的核心技術(shù)和產(chǎn)業(yè)為大多數(shù)歐美IDM半導(dǎo)體廠商所掌控，中國(guó)在2014年6月成功研制出8寸IGBT專(zhuān)業(yè)芯片，打破國(guó)際壟斷 。

據(jù)最新調(diào)查報(bào)告顯示，各種IGBT器件和模塊的銷(xiāo)售額在2013年將有一定程度的復(fù)蘇，2014年稍稍減速，待經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇并穩(wěn)定后，從2015年開(kāi)始將穩(wěn)定增長(zhǎng)。雖然2013年IGBT市場(chǎng)增長(zhǎng)趨勢(shì)有所下降，但隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)的進(jìn)步，其發(fā)展前景還是十分被看好的。