【導讀】盡管人們對寬帶隙(WBG)功率半導體器件感到興奮，但矽基絕緣柵雙極晶體管(IGBTs)在今天比以往任何時候都更加重要。在我們10月份發布的電動汽車電力電子報告[2]中，TechInsights預測，xEV輕型汽車動力總成的產量將從2020年的910萬增長到2026年的4310萬
，這使得其複合年增長率(CAGR)達到25%。SiC MOSFET目前預計占市場的約26%

，到2029年預計將占市場份額的50%。

一年的結束通常是回顧和反思的時候。在TechInsights 2021年底發布的功率半導體博客中，我們總結了SiC MOSFET設計的一些最新發展[1]。

盡管人們對寬帶隙(WBG)功率半導體器件感到興奮，但矽基絕緣柵雙極晶體管(IGBTs)在今天比以往任何時候都更加重要。在我們10月份發布的電動汽車電力電子報告[2]中，TechInsights預測
，xEV輕型汽車動力總成的產量將從2020年的910萬增長到2026年的4310萬，這使得其複合年增長率(CAGR)達到25%。SiC MOSFET目前預計占市場的約26%，到2029年預計將占市場份額的50%。

迄今為止，英飛淩已經發布了七代IGBT技術。在過去的二十年裏
，TechInsights已經分析並分類了這些器件的所有主要創新
，那我們來回顧一下我們所看到的進展。

早前，英飛淩發布了其“電動傳動係統(EDT2)”係列的更多部件。雖然不是新一代，但它是最新IGBT7技術的汽車迭代。它們已經在市場上廣受接納。英飛淩於去年宣布
，中國領先的逆變器供應商英博爾率先在其產品中采用EDT2 IGBT係列[3]。

我們已經從這個係列中看到了IGBT的兩種變體：

●一款分立產品(AIKQ120N75CP2XKSA1)，適用於從牽引變流器到DC-link放電開關的一係列汽車應用。

   - 具有750 V VCE, VCE(SAT)= 1.3 V(典型@ 25°C, VGS = 15 V)，並與Si基PiN二極管共封裝，以提供反向傳導性能。

●FF300R08W2P2_B11A模塊針對牽引逆變器

   - 具有四個750 V VCE, VCE(SAT) = 1.0 V(典型@ 25°C, VGS = 15 V) EDT2係列IGBTs。在半橋配置中，四個基於Si的PiN二極管提供300 A的模塊額定電流。

這兩種產品的詳細分析都可以在TechInsights的分析師dropbox的power essentials訂閱中看到。

表1記錄了我們多年來分析的各種英飛淩IGBTs，以及它們的一些顯著特征
，一直追溯到第一代的原始版本。

表1: TechInsights對英飛淩IGBTs的分析
、報告參考和值得注意的創新

關於IGBT

多年來，關於誰“發明”了IGBT一直存在一些爭議，我們不會在這裏深入探討。最廣泛的共識是Jayant Baliga教授(他仍然在該領域非常活躍，現在是北卡羅萊納州立大學功率半導體研究中心的主任)。20世紀80年代初，他在通用電氣公司廣泛從事IGBT技術的研究和開發。

從結構上講，IGBT隻是一個功率垂直擴散(VD-MOSFET)
，底部有一個P-type集電極而並不是一個N+漏極觸點，使其成為一個雙極器件。盡管有人說這是對其功能的過度簡化。

IGBT可以用幾種方式進行解釋和建模；我的偏好是作為一個MOSFET驅動的雙極晶體管(BJT)。將雙極晶體管的功率能力與MOSFET的簡單驅動需求和低關閉狀態（low off-state）功耗相結合。在正向傳導過程中，電子從頂部MOSFET“注入”到漂移區，空穴從底部P+集電極“注入”
，如圖1所示。

圖1：IGBT的基本結構，包括MOSFET和BJT元件

這個結構中有許多複雜的微妙之處，這裏無法一一介紹。例如，還存在由N+觸點/P type基極/ N-type漂移形成的寄生雙極晶體管以及寄生晶閘管(添加底部P+集電極觸點)。關於這些錯綜複雜的問題，有好幾本教材都是Baliga教授自己寫的![4]

與功率MOSFET相比，IGBT具ju有you幾ji個ge優you點dian。主zhu要yao是shi前qian麵mian提ti到dao的de雙shuang極ji作zuo用yong，它ta們men是shi少shao數shu載zai流liu子zi器qi件jian
，這zhe意yi味wei著zhe電dian子zi和he空kong穴xue都dou在zai載zai流liu子zi輸shu運yun中zhong活huo躍yue。這zhe有you點dian違wei反fan常chang理li，人ren們men可ke能neng會hui想xiang象xiang這zhe些xie載zai流liu子zi都dou在zai漂piao移yi區qu域yu內nei重zhong新xin組zu合he
，相xiang互hu抵di消xiao。

這zhe並bing沒mei有you錯cuo，但dan是shi有you一yi個ge被bei稱cheng為wei載zai流liu子zi壽shou命ming的de特te性xing，在zai此ci期qi間jian重zhong組zu需xu要yao發fa生sheng。假jia設she這zhe足zu夠gou高gao
，電dian子zi和he空kong穴xue共gong存cun足zu夠gou的de時shi間jian在zai漂piao移yi區qu域yu，以yi創chuang建jian一yi個ge“電子-空穴等離子體”，有效地降低該區域的電阻到一個顯著低於功率MOSFET的水平，反過來降低器件電阻和提高其實際電壓能力。

也有一些缺點需要考慮。

●當柵極關閉且VCE正向偏置時，IGBT具有正向阻塞能力。然而，由於在P+集電極/ N-type漂移區存在有效的二極管，因此既沒有反向阻塞也沒有反向傳導。因此，有必要在反並行配置(也稱為快速恢複二極管(FReD))中共同封裝額外的自由旋轉二極管(FWD)。

●該背麵集電極二極管提供了一個~0.7 V的器件導通基礎的物理結構。也就是說，再多的優化也無法克服這一點。這也是我們不從導通電阻(RDS(ON)),的角度討論IGBTs的原因，而是使用飽和電壓(VCE(SAT))作為性能指標。

●電子空穴等離子體的存在從根本上改善了器件的傳導性能，但對開關有負麵影響，存在“尾電流”(與載流子重組相關的關斷時間的延長)。

因此，IGBTs在中功率/中頻應用中找到了一個利基市場，占據了包括汽車牽引市場在內的關鍵領域。圖2顯示了根據功率水平和頻率工作的一些關鍵電力電子應用空間，以及最合適的技術。請注意Si MOSFETs, IGBTS, SiC和GaN在汽車領域的重疊
，每個製造商都希望在這個關鍵的增長市場中分得一杯羹。

圖2 a)按功率/頻率劃分的電力電子應用 b)最適合的技術

總結

希望這篇博客能夠說明IGBTs不僅在固態電力電子解決方案的發展中發揮了重要作用，而且將在未來十年甚至更長時間內繼續發揮作用。

請務必持續關注TechInsights發布的Part 2
，我們將介紹IGBT技術的早期發展
，從punch-through (PT)到第一代non-punch-through (NPT)設計。TechInsights將討論各自的優點以及我們在分析過程中發現的一些深入洞察。

References:

[1] 博客- Reviewing Approaches to SiC MOSFET Cell Design: https://library.techinsights.com/reverse-engineering/blog-viewer/62936#n...

[2]報告- Electric Vehicle Power Electronics: Increasing Use of 800 Volts, Integrated Designs and Silicon Carbide: https://library.techinsights.com/strategy-analytics/analysis-view/EVS-22...

[3]https://www.infineon.com/cms/cn/about-infineon/press/market-news/2022/IN...

[4] https://www.sciencedirect.com/book/9781455731435/the-igbt-device

（作者： Stephen Russell
，來源： TechInsights微信公眾號）

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻
、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

IOTE 2023深圳物聯網展邀請函

再啟航！第十一屆中國（西部）電子信息博覽會隆重開幕

數字溫度計和磁場檢測器

實時嵌入式係統簡介

具有高分辨率功能和安全狀態功能的 PWM 引擎