IGBT芯片:历经7代发展,英飞凌绝对领先,国产企业一家进入前十2021-07-27 16:46·远瞻智库
1、IGBT器件被誉为电力电子行业里的“CPU”,是现代电力电子产业的核心器件1.1. IGBT 基本情况 电力电子技术是以电子(弱电)为手段去控制电力(强电)的技术,使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的电能,以适应不同用电装置的不同需求。 电力电子技术以电子学、电力学和控制论相互交叉结合为基础,研究电能的变换和利用,广泛应用于高压直流输电、电力机车牵引、交直流转换、电加热、电解等各种领域中。 电力电子器件是电力电子技术的核心。 电力电子器件即功率半导体器件,也称为功率电子器件,是进行功率处理的半导体器件。 ![]()
典型的功率处理功能包括变频、变压、变流、功率放大、功率管理等,是电力电子装臵的心脏。 虽然功率器件在整台电力电子装臵中的价值通常不会超过总价值的20%-30%,但对整机的总价值、尺寸、总量、动态性能、过载能力、耐用性和可靠性起着十分重要的作用。 ![]()
IGBT是现代电力电子器件中的主导型器件,被誉为电力电子行业里的“CPU”。 IGBT是 Insulated Gate Bipolar Transistor 的缩写,即绝缘栅双极型晶体管,是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品。 IGBT作为工业控制及自动化领域的核心元器件,能够根据信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等,以实现精准调控的目的,被称为现代电力电子行业里的“CPU”,广泛应用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子、新能源发电、新能源汽车等众多领域。 IGBT 既有 MOSFET 的开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小的优点,又有 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点,是电力电子领域较为理想的开关器件。 IGBT 可以看做由 BJT(双极型晶体管)和MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)组成的复合功率半导体器件。 BJT 即三极管,是电流驱动器件,基本结构是两个背靠背的PN结,基极和发射极之间的PN 结称为发射结,基极和集电极之间的PN结称为集电结,通过控制输入电压和基极电流可以使三极管出现电流放大或开关效应。 MOSFET 是电压型驱动器件,以常用的N沟道MOS管为例,通过在P型半导体上方加入金属板和绝缘板,即栅极,在使用中保持源级和漏级电压不变,栅极加正电压,MOS管呈导通状态,降低栅极电压,MOS管呈关闭状态。 由于栅极所带来的电容效应,使得MOS管只需要很小的驱动功率即可实现高速的开关作用。 BJT通态压降小、载流能力大,但驱动电流小,MOSFET驱动功率小、快关速度快,但导通压降大、载流密度小。 IGBT 可以等效为MOS管和BJT管的复合器件,在保留MOS管优点的同时增加了载流能力和抗压能力,自20世纪80年代末开始工业化应用以来发展迅速,成为电力电子领域中最重要的功率开关器件之一,在6500V以下的大功率高频领域逐渐取代了晶闸管和功率MOSFET器件。 ![]()
1.2. IGBT 的分类 IGBT 在应用层面通常根据电压等级划分: 低压 IGBT:指电压等级在1000V以内的IGBT器件,例如常见的650V应用于新能源汽车、家电、工业变频等领域。 中压 IGBT:指电压等级在1000-1700V区间的 IGBT 器件,例如1200V应用于光伏、电磁炉、家电、电焊机、工业变频器和新能源汽车领域,1700V应用于光伏和风电领域。 高压 IGBT:指电压等级3300V及以上的IGBT器件,比如3300V和6500V应用于高铁、动车、智能电网,以及工业电机等领域。 在产品层面通常根据封装方式分类: IGBT 单管:封装规模较小,一般指封装单颗IGBT芯片,电流通常在50A以下,适用于消费、工业家电领域。 IGBT 模块:是IGBT最常见的形式,将多个IGBT芯片集成封装在一起,功率更大、散热能力更强,适用于高压大功率平台,如新能源车、主流光伏、高铁等。 功率集成(IPM):指把IGBT模块加上散热器、电容等外围组件,组成一个功能较为完整和复杂的智能功率模块。 ![]()
1.3. IGBT技术发展历程及趋势 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。 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。 ![]()
第一代:PT-IGBT,使用重掺杂的P+衬底作为起始层,在此之上依次生长N+ buffer,N- base 外延,最后在外延层表面形成原胞结构,由于体内晶体结构本身原因造成“负温度系数”,各 IGBT原胞通态压降不一致,不利于并联运行,第一代IGBT电流只有25A,且容量小速度低,目前已基本退出市场。 第二代:改进版PT-IGBT,采用精细平面栅结构,增加一个“缓冲层”,在相同的击穿电压下实现了更薄的晶片厚度,从而降低了 IGBT 导通电阻,降低了 IGBT 工作过程中的损耗,提高了 IGBT 的耐压程度。 第三代:Trench-IGBT,采用 Trench 结构,通过挖槽工艺去掉栅极下面的 JFET 区,把沟道从表面变到垂直面,基区的 PIN 效应增强,栅极附近载流子浓度增大,提高了电导调制效应减小了导通电阻,有效降低导通压降及导通损耗。 第四代:NPT-IGBT,使用低掺杂的 N-衬底作为起始层,先在 N-漂移区的正面做成 MOS 结构,然后从背面减薄到 IGBT 电压规格需要的厚度,再从背面用离子注入工艺形成P+集电极,在截止时电场没有贯穿N-漂移区,因此称为NPT“非穿通”型IGBT。 可以精准的控制结深而控制发射效率,尽可能地增快载流子抽取速度来降低关断损耗,保持基区原有的载流子寿命而不会影响稳态功耗,同时具有正温度系数特点。 第五代:FS-IGBT,采用先进的薄片技术并且在薄片上形成电场终止层,大大的减小了芯片的总厚度,使得导通压降和动态损耗都有大幅的下降,从而进一步降低IGBT工作中过程中的损耗。 第六代:FS-Trench-IGBT,是在第五代基础上改进沟槽栅结构,进一步增加芯片的电流导通能力,优化芯片内的载流子浓度和分布,减小了芯片的综合损耗。 第七代:微沟槽栅-场截止型 IGBT,沟槽密度更高,原胞间距也经过精心设计,并且优化了寄生电容参数,从而实现 5kv/us 下的最佳开关性能。 ![]()
总体而言,不同代际升级趋势为升高耐压程度,降低开关损耗,在结构上大体表现在以下两方面: 栅极结构方面: 早期 IGBT 是平面栅结构,随着 Trench(干法刻槽)工艺的成熟,将平面型栅极结构变成垂直于芯片表面的沟槽型结构,IGBT 的本质是通过控制栅极与发射级之间的电压大小,从而实现对 IGBT 导通和截止状态的控制。 当栅极-发射级电压≤0 时,IGBT 呈关断状态,当集电极-发射级电压≥0且栅极-发射级电压>阈值电压,IGBT 呈导通状态。 沟槽型结构单元面积小、电流密度大、通态损耗降低约 30%,击穿电压更高。 纵向结构方面: 早期是穿通型(PT)和非穿通型(NPT)结构。PT IGBT 是最早商业化生产的 IGBT,随着使用应用中电压等级越来越高,对 NPT 结构的基区宽带要求越来越宽,又有了在高压领域向穿通结构的回归。
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