一文看懂IGBT

IGBT(绝缘栅双极型晶体管），是由 BJT(双极结型晶体三极管) 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,其具有自关断的特征。简单讲，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。IGBT融合了BJT和MOSFET的两种器件的优点，如驱动功率小和饱和压降低等。

IGBT模块是由IGBT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，具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点。

IGBT是能源转换与传输的核心器件，是电力电子装置的“CPU” 。采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率和质量，具有高效节能和绿色环保的特点，是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。

IGBT是以GTR为主导元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件。其外部有三个电极，分别为G-栅极，C-集电极，E-发射极。

在IGBT使用过程中，可以通过控制其集-射极电压UCE和栅-射极电压UGE的大小，从而实现对IGBT导通/关断/阻断状态的控制。

1）当IGBT栅-射极加上加0或负电压时，MOSFET内沟道消失，IGBT呈关断状态。

2）当集-射极电压UCE＜0时，J3的PN结处于反偏，IGBT呈反向阻断状态。

3）当集-射极电压UCE＞0时，分两种情况：

②若栅-射极电压UGE＜Uth，沟道不能形成，IGBT呈正向阻断状态。

②若栅-射极电压UGE＞Uth ，栅极沟道形成，IGBT呈导通状态（正常工作）。此时，空穴从P+区注入到N基区进行电导调制，减少N基区电阻RN的值，使IGBT通态压降降低。

IGBT各世代的技术差异

回顾功率器件过去几十年的发展，1950-60年代双极型器件SCR,GTR,GTO，该时段的产品通态电阻很小；电流控制，控制电路复杂且功耗大；1970年代单极型器件VD-MOSFET。但随着终端应用的需求，需要一种新功率器件能同时满足：驱动电路简单,以降低成本与开关功耗、通态压降较低，以减小器件自身的功耗。1980年代初,试图把MOS与BJT技术集成起来的研究，导致了IGBT的发明。

1985年前后美国GE成功试制工业样品（可惜后来放弃）。自此以后， IGBT主要经历了6代技术及工艺改进。

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栅极结构：平面栅机构、Trench沟槽型结构；

3）硅片加工工艺：外延生长技术、区熔硅单晶；

其发展趋势是：①降低损耗 ②降低生产成本

总功耗＝ 通态损耗 (与饱和电压 VCEsat有关)+开关损耗 (Eoff Eon)。同一代技术中通态损耗与开关损耗两者相互矛盾,互为消长。

IGBT模块按封装工艺来看主要可分为焊接式与压接式两类。高压IGBT模块一般以标准焊接式封装为主，中低压IGBT模块则出现了很多新技术，如烧结取代焊接，压力接触取代引线键合的压接式封装工艺。

随着IGBT芯片技术的不断发展，芯片的最高工作结温与功率密度不断提高， IGBT模块技术也要与之相适应。未来IGBT模块技术将围绕 芯片背面焊接固定 与 正面电极互连 两方面改进。模块技术发展趋势：

IGBT的主要应用领域

作为新型功率半导体器件的主流器件，IGBT已广泛应用于工业、 4C(通信、计算机、消费电子、汽车电子)、航空航天、国防军工等传统产业领域，以及轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域。

1）新能源汽车

IGBT模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用，是电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件。IGBT模块占电动汽车成本将近10%，占充电桩成本约20%。IGBT主要应用于电动汽车领域中以下几个方面：

A）电动控制系统 大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机；

B）车载空调控制系统 小功率直流/交流(DC/AC)逆变，使用电流较小的IGBT和FRD；

C）充电桩 智能充电桩中IGBT模块被作为开关元件使用；

2）智能电网

IGBT广泛应用于智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端：

3）轨道交通

IGBT器件已成为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅助变流器的主流电力电子器件。交流传动技术是现代轨道交通的核心技术之一，在交流传动系统中牵引变流器是关键部件，而IGBT又是牵引变流器最核心的器件之一。

IGBT国内外市场规模

2015年国际IGBT市场规模约为48亿美元，预计到2020年市场规模可以达到80亿美元，年复合增长率约10%。2014年国内IGBT销售额是88.7亿元，约占全球市场的1∕3。预计2020年中国IGBT市场规模将超200亿元，年复合增长率约为15%。

从公司来看，国外研发IGBT器件的公司主要有英飞凌、 ABB、三菱、西门康、东芝、富士等。中国功率半导体市场占世界市场的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上，90％主要依赖进口，基本被国外欧美、日本企业垄断。

国外企业如英飞凌、 ABB、三菱等厂商研发的IGBT器件产品规格涵盖电压600V-6500V，电流2A-3600A，已形成完善的IGBT产品系列。

英飞凌、 三菱、 ABB在1700V以上电压等级的工业IGBT领域占绝对优势；在3300V以上电压等级的高压IGBT技术领域几乎处于垄断地位。 在大功率沟槽技术方面，英飞凌与三菱公司处于国际领先水平。

西门康、仙童等在1700V及以下电压等级的消费IGBT领域处于优势地位。

尽管我国拥有最大的功率半导体市场，但是目前国内功率半导体产品的研发与国际大公司相比还存在很大差距，特别是IGBT等高端器件差距更加明显。核心技术均掌握在发达国家企业手中，IGBT技术集成度高的特点又导致了较高的市场集中度。 跟国内厂商相比，英飞凌、 三菱和富士电机等国际厂商占有绝对的市场优势。形成这种局面的原因主要是：

中国功率半导体产业的发展必须改变目前技术处于劣势的局面，特别是要在产业链上游层面取得突破，改变目前功率器件领域封装强于芯片的现状。

总的来说，在技术差距方面有：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。

近几年中国IGBT产业在国家政策推动及市场牵引下得到迅速发展，已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整产业链，IGBT国产化的进程加快，有望摆脱进口依赖。

受益于新能源汽车、轨道交通、智能电网等各种利好措施，IGBT市场将引来爆发点。希望国产IGBT企业能从中崛起。

一文看懂IGBT的七代发展史

来源：内容来自「英飞凌工业半导体」，作者：赵佳 ，谢谢。

话说公元2018年，IGBT江湖惊现第六代和第七代的掌门人，一时风头无两，各路吃瓜群众纷纷猜测二位英雄的出身来历。不禁有好事者梳理了一下英家这些年，独领风骚的数代当家掌门人，分别是：

呃，好像分不清这都谁是谁?

呃，虽然这些IGBT“掌门人”表面看起来都一样，但都是闷骚型的。只能脱了衣服，做个“芯”脏手术。。。

像这样，在芯片上，横着切一刀看看。

好像，有点不一样了。。。

故事，就从这儿说起吧。。。

史前时代-PT

PT是最初代的IGBT，它使用重掺杂的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元胞结构。它因为截止时电场贯穿整个N-base区而得名。它工艺复杂，成本高，而且需要载流子寿命控制，饱和压降呈负温度系数，不利于并联，虽然在上世纪80年代一度呼风唤雨，但在80年代后期逐渐被NPT取代，目前已归隐江湖，不问世事，英飞凌目前所有的IGBT产品均不使用PT技术。

初代盟主——IGBT2

特征：平面栅，非穿通结构(NPT)

NPT-IGBT于1987年出山，很快在90年代成为江湖霸主。NPT与PT不同在于，它使用低掺杂的N-衬底作为起始层，先在N-漂移区的正面做成MOS结构，然后用研磨减薄工艺从背面减薄到 IGBT 电压规格需要的厚度，再从背面用离子注入工艺形成P+ collector。在截止时电场没有贯穿N-漂移区，因此称为“非穿通”型IGBT。NPT不需要载流子寿命控制，但它的缺点在于，如果需要更高的电压阻断能力，势必需要电阻率更高且更厚的N-漂移层，这意味着饱和导通电压Vce(sat)也会随之上升，从而大幅增加器件的损耗与温升。

技能：低饱和压降，正温度系数，125℃工作结温，高鲁棒性

因为N-漂移区厚度大大降低了，因此Vce(sat)相比PT大大减少。正温度系数，利于并联。

名号：DLC，KF2C，S4…

等等，好像混进了什么奇怪的东西！

没写错！S4真的不是IGBT4，它是根正苗红的IGBT2，适用于高频开关应用，硬开关工作频率可达40kHz。这一明星产品，至今销路仍然不错。

性能飞跃--IGBT3

特征：沟槽栅，场截止（Field Stop）

IGBT3的出现，又在IGBT江湖上掀起了一场巨大的变革。IGBT3的元胞结构从平面型变成了沟槽型。沟槽型IGBT中，电子沟道垂直于硅片表面，消除了JFET结构，增加了表面沟道密度，提高近表面载流子浓度，从而使性能更加优化。（平面栅与沟槽栅技术的区别可以参考我们之前发表过的文章“平面型与沟槽型IGBT结构浅析”）。

纵向结构方面，为了缓解阻断电压与饱和压降之间的矛盾，英家于2000年推出了Field Stop IGBT，目标在于尽量减少漂移区厚度，从而降低饱和电压。场截止（Field Stop）IGBT起始材料和NPT相同，都是低掺杂的N-衬底，不同在于FS IGBT背面多注入了一个N buffer层，它的掺杂浓度略高于N-衬底，因此可以迅速降低电场强度，使整体电场呈梯形，从而使所需的N-漂移区厚度大大减小。此外，N buffer还可以降低P发射极的发射效率，从而降低了关断时的拖尾电流及损耗。（了解更多NPT与场截止器件的区别请参考：PT，NPT，FS型IGBT的区别）。

技能：低导通压降，125℃工作结温（600V器件为150℃），开关性能优化

得益于场截止以及沟槽型元胞，IGBT3的通态压降更低，典型的Vce(sat)从第2代的典型的3.4到第3代的2.55V（3300V为例）。

名号：T3，E3，L3

IGBT3在中低压领域基本已经被IGBT4取代，但在高压领域依然占主导地位，比如3300V，4500V，6500V的主流产品仍然在使用IGBT3技术。

中流砥柱--IGBT4

IGBT4是目前使用最广泛的IGBT芯片技术，电压包含600V，1200V，1700V，电流从10A到3600A，各种应用中都可以见到它的身影。

特征：沟槽栅+场截止+薄晶圆

和IGBT3一样，都是场截止+沟槽栅的结构，但IGBT4优化了背面结构，漂移区厚度更薄，背面P发射极及N buffer的掺杂浓度及发射效率都有优化。

技能：高开关频率，优化开关软度，150℃工作结温

IGBT4通过使用薄晶圆及优化背面结构，进一步降低了开关损耗，同时开关软度更高。同时，最高允许工作结温从第3代的125℃提高到了150℃，这无疑能进一步增加器件的输出电流能力。

名号：T4，E4，P4

T4是小功率系列，开关频率最高20kHz。

E4适合中功率应用，开关频率最高8kHz。

P4对开关软度进行了更进一步优化，更适合大功率应用，开关频率最高3kHz。

土豪登场--IGBT5

“土豪金” 芯片

特征：沟槽栅+场截止+表面覆盖铜

IGBT5是所有IGBT系列里最土豪的产品，别的芯片表面金属化都用的铝，而IGBT使用厚铜代替了铝，铜的通流能力及热容都远远优于铝，因此IGBT5允许更高的工作结温及输出电流。同时芯片结构经过优化，芯片厚度进一步减小。

技能：175℃工作结温，1.5V饱和电压，输出电流能力提升30%

因为IGBT5表面覆铜，并且在模块封装中采用了先进的.XT封装工艺，因此工作结温可以达到175℃。芯片厚度相对于IGBT4进一步减薄，使得饱和压降更低，输出电流能力提升30%。

名号：E5，P5

目前IGBT5的芯片只封装在PrimePACK™里，电压也只有1200V，1700V，代表产品FF1200R12IE5，FF1800R12IP5。

真假李逵--TRENCHSTOP™5

在单管界，有一类产品叫TRENCHSTOP™5。经常听到有人问H5、F5、S5、L5是不是IGBT5？严格意义来讲并不是，虽然名字里都带5，但是H5、F5、S5这些单管的5系列，属于另外一个家族叫TRENCHSTOP™5。这个家族没有“黄金甲”加持，基因也和IGBT5不一样。

特征：精细化沟槽栅+场截止

虽然都叫沟槽栅，但TRENCHSTOP™5长得还是和前辈们大相径庭。它的沟道更密，电流密度更高。在达到最佳操作性能同时，并不具备短路能力。

技能：175℃最大工作结温，高开关频率，无短路能力

性能和短路，永远是一对矛盾体。为了追求卓越的性能，TRENCHSTOP™5牺牲掉了短路时间。TRENCHSTOP™5可以根据应用目的不同，取得极低的导通损耗，或者极高的开关频率，开关频率最高可达70~100kHz，而导通压降最低可低至1.05V。

名号：H5，F5，S5，L5

TRENCHSTOP™5目前只有650V的器件，并且都是分立器件。这一系列产品针对不同的应用进行了通态损耗和开关损耗的优化。其中H5/F5适合高频应用，L5导通损耗最低。TRENCHSTOP™5各个产品在折衷曲线上的位置如下图所示。

后起之秀--IGBT6

6掌门虽然和4掌门之间隔了个5，但6其实是4的优化版本，依然是沟槽栅+场截止。IGBT6目前只在单管中有应用。

特征：沟槽栅+场截止

器件结构和IGBT4类似，但是优化了背面P+注入，从而得到了新的折衷曲线。

技能：175℃最大工作结温，Rg可控，3us短路

IGBT6目前发布的有2个系列的产品，S6导通损耗低，Vce(sat) 1.85V; H6开关损耗低，相比于H3，开关损耗降低15%。

名号：S6,H6

IGBT6只有单管封装的产品，例如：IKW15N12BH6，IKW40N120CS6，封装有TO-247 3pin，TO-247 plus 3pin，TO-247 plus 4pin。

万众瞩目--IGBT7

IGBT经数代，厚积薄发，2018年终于迎来了万众瞩目的IGBT7。

特征：微沟槽栅+场截止

虽然都是沟槽栅，但多了一个微字，整个结构就大不一样了。IGBT7沟道密度更高，元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。

更多IGBT7信息，请参考：1200V IGBT7和Emcon7可控性更佳，助力提升变频器系统性能。

技能：175℃过载结温，dv/dt可控

IGBT7 Vce(sat)相比IGBT4降低20%，可实现最高175℃的暂态工作结温。

名号：T7,E7

代表产品有：FP25R12W1T7。T7专为电机驱动器优化，可以实现5kv/us下最佳性能。E7应用更广泛，电动商用车主驱，光伏逆变器等。

一张表看懂IGBT1234567

有道是，

江山代有才人出，各领风骚没两年。

7已经羽翼渐丰，独挡一面，

8还会远吗？

让我们拭目以待吧！

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