IGBT（绝缘栅双极晶体管）知识点梳理

IGBT，全称Insulated Gate Bipolar Transistor，是一种广泛应用于开关控制的半导体器件。它结合了MOSFET的高开关速度和高阻抗特性，以及BJT的高增益和低饱和电压优势。这种独特的结合，使得IGBT成为一个高效率的电压控制半导体，能够在极低的栅极电流驱动下，实现集电极-发射极间的大电流流通。

尽管IGBT在控制上依赖于MOSFET，呈现出电压控制的特性，类似于标准的MOSFETs，但它同时也保留了BJT的输出传输特性。这种卓越的性能组合，使IGBT成为各种电子和电力系统中的关键组件，特别是在那些需要高效率和高性能开关的场合。

#01

IGBT，作为一种先进的半导体器件，具有三个关键的端子：发射极、集电极和栅极（发射极emitter、集电极collector和栅极gate）。每个端子都配备了金属层，其中栅极端子的金属层上覆盖有一层二氧化硅，这是其独特的结构特点之一。

从结构上来看，逆变器IGBT是一种复杂的四层半导体器件，它通过巧妙地结合PNP和NPN晶体管，形成了独特的PNPN排列。

这种结构设计不仅赋予了IGBT高效的开关性能，还使其在电压阻断能力方面表现出色。

具体来说，IGBT的结构从集电极侧开始，最靠近的是（p+）衬底，也称为注入区。注入区上方是N漂移区，包含N层，这一区域的主要作用是允许大部分载流子（空穴电流）从（p+）注入到N-层。N漂移区的厚度对于决定IGBT的电压阻断能力至关重要。

在N漂移区的上方，是体区，由（p）衬底构成，靠近发射极。在体区内部，有一个（n+）层。注入区与N漂移区之间的连接点被称为J2结，而N区和体区之间的连接点则是J1结。

值得注意的是，逆变器IGBT的结构在拓扑上与MOS门控晶闸管相似，但二者在操作和功能上有显著差异。与晶闸管相比，IGBT在操作上更为灵活，因为它在整个设备操作范围内只允许晶体管操作，而不需要像晶闸管那样在零点交叉时等待快速开关。这种特性使得IGBT在逆变器等应用中更加受到青睐，因为它能够提供更高效、更可靠的开关性能。

#02

绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种结合了MOSFET和双极型晶体管（BJT）特性的先进半导体器件。它利用了MOSFET的高开关速度和BJT的低饱和电压特性，制造出一种既能够快速开关又能处理大电流的晶体管。IGBT的 “绝缘栅” 一词反映了其继承了MOSFET的高输入阻抗特性，同时它也是一种电压控制器件，这一点同样与MOSFET相似。而“双极晶体管” 这一术语则表明IGBT也融合了BJT的输出特性。

在IGBT的等效电路中，可以看到它结合了N沟道MOSFET和PNP晶体管。N沟道MOSFET负责驱动PNP晶体管，其中栅极来自MOSFET，而集电极和发射极则来自PNP晶体管。在PNP晶体管中，集电极和发射极构成了导通路径，当IGBT被切换到接通状态时，这条路径就会导通并承载电流。

对于BJT，增益是通过将输出电流除以输入电流来计算的，表示为Beta（β）：β = 输出电流/输入电流。然而，MOSFET是一个电压控制器件，其栅极与电流传导路径是隔离的，因此MOSFET的增益是输出电压变化与输入电压变化的比率。这一特点同样适用于IGBT，其增益是输出电流变化与输入栅极电压变化的比率。由于IGBT的高电流能力，BJT的高电流实际上是由MOSFET的栅极电压控制的。

IGBT的符号包括了晶体管的集电极-发射极部分和MOSFET的栅极部分。当IGBT处于导通或开关“接通” 模式时，电流从集电极流向发射极。在IGBT中，栅极到发射极之间的电压差称为Vge，而集电极到发射极之间的电压差称为Vce。由于在集电极和发射极中的电流流动相对相同：Ie=Ic，因此Vce非常低。

#03

以下是一些IGBT的数学公式，这些方程和参数对于包含IGBT的电路的分析和设计是基础的。

集电极电流（Ic）：

集电极电流是从IGBT的集电极流向发射极的电流。它也可以使用欧姆定律来确定。这里，Vce代表集电极-发射极电压，Rl是负载电阻。𝐼𝑐=𝑉𝑐𝑒/𝑅𝑙

2. 栅极电流（Ig）：

栅极电流是激活或关闭IGBT所需的电流。它可以使用栅极电压和栅源电容（Cgs）来计算：𝐼𝑔=𝐶𝑔𝑠⋅𝑑𝑉𝑔𝑠/𝑑𝑡，其中 dVgs/dt是栅源电压随时间的变化率。

3. 开关损耗（Ps）：

IGBT中的开关损耗来自于开启和关闭转换期间的能量耗散。这些损耗由下面的公式确定：𝑃𝑠=0.5⋅𝑉𝑐𝑒⋅𝐼𝑐⋅𝑓𝑠𝑤⋅(𝐸𝑜𝑛+𝐸𝑜𝑓𝑓)

其中 Vce 是集电极-发射极电压，Ic 是集电极电流，fsw 是开关频率，Eon 和 Eoff 是开启和关闭能量。

4. 正向电压降（Vf）：

正向电压降是IGBT在导通状态下的电压，Vce(sat) 代表饱和电压：𝑉𝑓=𝑉𝑐𝑒+𝑉𝑐𝑒(𝑠𝑎𝑡)

5. 功率耗散（Pd）：

它通过提到的公式计算，这里 Vce 是集电极-发射极电压，Ic 是集电极电流。 𝑃𝑑=𝑉𝑐𝑒⋅𝐼𝑐

6. 栅极电荷（Qg）：

栅极电荷是将IGBT从关闭转换到打开所需的总电荷。它与栅极电流和栅源电压有关：Qg=∫(Igdt)其中 Ig 是栅极电流，积分是在整个开关时间上进行的。

7. 结温（Tj）：

IGBT的结温可以通过考虑功率耗散和热阻来估算。这里 Ta 是环境温度，Pd 是功率耗散，Rth 是热阻。  𝑇𝑗=𝑇𝑎+(𝑃𝑑⋅𝑅𝑡ℎ)

#04

绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为一种电压控制器件，其操作原理与MOSFET类似。在IGBT中，只需在栅极终端施加一个很小的电压，就能启动电流的传导过程。这种设计使得IGBT能够高效地控制电流的流动。

IGBT的一个关键特性是它可以从集电极向发射极切换电流，但这个过程只能在一个方向上进行，即正向切换。这种单向导通特性使得IGBT在需要精确控制电流方向的电路中非常有用。

在实际的IGBT开关电路中，通常会对栅极施加一个小电压以控制电流的流动。例如，在一个电机控制电路中，IGBT可以用来从正电压源向电机切换电流。为了保护电路和电机，通常会在电路中包含一个电阻，用于控制流经电机的电流，防止电流过大而损坏设备。

这种设计不仅提高了电路的效率和可靠性，还使得IGBT成为电力电子应用中的关键组件，尤其是在电机控制和电力转换系统中。通过精确控制IGBT的栅极电压，可以实现对电流的高效和精确控制，从而优化整个系统的性能。

4.1

输入特性

下图显示了IGBT的输入特性。它是栅极引脚上施加的电压与流经集电极引脚的电流之间的图形。

最初，当栅极引脚没有施加电压时，IGBT处于关闭状态，且没有电流流经集电极引脚。当施加到栅极引脚的电压超过阈值电压时，逆变器IGBT开始导通，集电极电流IC开始在集电极和发射极之间流动。集电极电流相对于栅极电压的增加情况如下图所示。

在上面的图像中，显示了IGBT的传输特性。它与PMOSFET几乎相同。当Vge（栅极-发射极电压）大于IGBT规格所规定的阈值时，IGBT将进入“接通”状态。

当栅极引脚没有施加电压时，不会有电流流过IGBT。在这种情况下，晶体管将保持关闭状态。然而，当在栅极终端施加电压时，电流会保持零一段时间。当电压超过阈值电压时，器件将开始导通，电流将从集电极流向发射极终端。

当栅极-发射极电压（VGE）小于阈值电压（VGE(th)）时，IGBT处于截止状态，集电极电流（IC）接近零。随着VGE增加并超过VGE(th)，IGBT开始导通，IC随之增加。在VGE(sat)时，IGBT进入饱和状态，IC增加不多，因为IGBT的跨导（输出特性线的斜率）会减小。

IGBT的输入特性曲线通常显示了器件的开关行为，包括其输入阻抗和如何通过改变栅极电压来控制集电极电流。这些特性对于设计IGBT驱动电路和预测其在不同负载条件下的行为至关重要。

这个启动过程遵循以下步骤：

1.栅极无电压：IGBT的栅极引脚上没有电压时，IGBT不导通，集电极和发射极之间没有电流流动。

2.施加栅极电压：当在栅极引脚上施加正电压，但这个电压低于IGBT的阈值电压时，IGBT仍然不会导通，集电极电流（IC）保持为零。

3.超过阈值电压：一旦栅极电压达到或超过IGBT的阈值电压，IGBT的通道开始形成，栅极下的电荷载流子（电子）开始积累，形成导电通道。

4.电流开始流动：随着栅极电压的增加，导电通道的电阻降低，集电极电流（IC）开始流动，IGBT进入导通状态。

5.维持导通状态：为了保持IGBT导通，栅极电压需要维持在阈值电压以上。如果栅极电压降至阈值以下，IGBT将关闭，集电极电流将停止流动。

简单理解为：最初，当栅极引脚没有施加电压时，IGBT处于关闭状态，没有电流流经集电极引脚。当施加到栅极引脚的电压超过阈值电压时，IGBT开始导通，集电极电流IG开始在集电极和发射极之间流动。集电极电流随着栅极电压的增加而增加，如下图所示。

状态

描述

关闭状态

栅极引脚未施加电压，IGBT关闭，集电极无电流。

导通状态

栅极引脚施加的电压超过阈值电压，IGBT导通，集电极电流开始流动。

电流与电压关系

集电极电流随栅极电压增加而增加。

IGBT的这种特性使其成为一种非常灵活的电力电子开关，能够在低栅极驱动电流下控制高电流的流动。在设计IGBT驱动电路时，需要确保栅极驱动电压足够以超过阈值电压，从而保证IGBT的可靠导通。同时，也需要考虑栅极驱动电路的设计，以避免在开关过程中产生不必要的电压尖峰或电流冲击，这些都可能影响IGBT的性能和寿命。栅极电压的控制对于IGBT的开关操作至关重要，它允许使用小的栅极电流来控制相对大的集电极电流，这是IGBT在高功率应用中广泛使用的原因之一。

4.2

输出特性或叫IGBT的电流-电压（I-V）特性

IGBT的电流和电压特性有三个主要阶段：截止区、活动区和饱和区。另外两个阶段是雪崩击穿和反向击穿。

在上图中，蓝色线表示IGBT的传输特性。传输特性表达了集电极电流IC与发射极栅极电压VGE之间的关系。截断电压的轨迹是VGE，在该VGE下IGBT能流过最大的集电极电流。

1.截止区 cutoff

最初，当栅极没有施加电压时，IGBT中没有集电极电流流动，晶体管处于关闭状态。当栅极终端施加电压但低于阈值电压时，IGBT保持关闭状态，但存在小的正向漏电流。在上述两种情况下，器件被认为是处于截止区。

2.活动区 active

当栅极-发射极电压（VGE）增加到超过阈值电压时，器件进入活动区并开始导通。在活动区，IGBT具有低输入电压降，输出电流开始增加。

3.饱和区 Saturation Region

众所周知，IGBT只在单方向传导电流，因此，经过一段时间后，集电极电流会达到一个最大水平。随着VGE的不同电压水平，集电极电流持续上升，如图下图所示。这个阶段被称为饱和状态，或者IGBT现在已经完全打开并处于导通状态。因此，这个区域也被称为欧姆区。

4.雪崩击穿 Avalanche Breakdown

如果施加的电压VCE超过某个限制，IGBT将遇到雪崩击穿。当VCE变得非常大时，结J1不能再提供电阻或阻挡电流，IGBT将击穿并无限期地导通。

5.反向击穿 Reverse Breakdown

在对IGBT施加反向电压的情况下，它不应超过最大反向电压VRM。当反向电压超过VRM时，晶体管会击穿并开始导电，因为它不能再在反向上阻断电流。

具体过程如下：

根据不同的栅极电压或Vge显示了I-V特性。X轴表示集电极-发射极电压或Vce，Y轴表示集电极电流。在关闭状态下，流经集电极的电流和栅极电压为零。当我们改变Vge或栅极电压时，器件进入活动区域。栅极上稳定且连续的电压提供了通过集电极的连续且稳定的电流流动。Vge的增加与集电极电流的增加成正比，Vge3 > Vge2 > Vge1。BV是IGBT的击穿电压。

IGBT的输出特性分为三个阶段：

第一阶段：当栅极电压VGE为零时，IGBT处于关闭状态，这被称为截止区域。

第二阶段：当VGE增加，如果它小于阈值电压，将会有少量漏电流流过IGBT，但IGBT仍然处于截止区域。

第三阶段：当VGE增加超过阈值电压时，IGBT进入活动区域，电流开始流经IGBT。如上图所示，电流将随着VGE电压的增加而增加。

这个图形包含三个阶段。第一阶段是截止区域，当栅极引脚没有施加电压时。在这个阶段，晶体管将保持关闭状态，不会有电流流经晶体管。

当栅极引脚上的电压增加，并且如果它保持在阈值电压以下，将导致通过器件的小漏电流流动，但器件将保持在截止区域。

然而，当栅极引脚上施加的电压超过阈值电压时，器件将移动到活动区域，在这种情况下，将有大量电流从集电极流向发射极终端。

在这个阶段，所施加的电压和产生的电流将直接成正比。更高的电压将导致集电极终端更多的电流流动。

在设计IGBT驱动电路时，需要确保VGE足够高，以便IGBT能够从截止状态快速切换到活动状态，同时避免进入不期望的饱和区，这可能会导致效率降低和热损耗增加。

4.3

IGBT的开关特性

IGBT的开通时间定义为从正向阻断到正向导通模式之间的时间。这里，正向导通意味着器件在正向导通。开通时间（ton）基本上由两种不同的时间组成：延迟时间（tdn）和上升时间（tr）。因此，我们可以说 ton=tdn+tr。

延迟时间定义为集电极-发射极电压（VCE）从 VCE 下降至 0.9VCE 的时间。这意味着，在延迟时间内，集电极-发射极电压下降到90%，因此集电极电流从初始漏电流上升到0.1IC（10%）。因此，延迟时间也可以定义为集电极电流从零（实际上是一个小的漏电流）上升到集电极电流最终值 IC 的10%的时间间隔。

上升时间（tr）是集电极-发射极电压从0.9VCE下降到0.1VCE 的时间。这意味着，在上升时间，集电极-发射极电压从90%下降到10%。因此，集电极电流从10%增加到集电极电流的最终值IC。经过时间 ton 后，集电极电流变为 IC，集电极-发射极电压下降到一个非常小的值，称为导通压降（VCE(sat)）。

下图显示了一个典型的IGBT开关特性。你可以将延迟时间、上升时间和开通时间相互关联起来。

现在让我们关注关断时间。与开通时间不同，关断时间包括三个间隔：

延迟时间，tdf 

初始下降时间，tf1 

最终下降时间，tf2 

因此，关断时间是上述三个不同时间间隔的总和，即toff=tdf+tf1+tf2。请参阅IGBT的开关特性以解释上述时间。

延迟时间是栅极电压从 VGE下降至阈值电压 VGET 的时间。当栅极电压在tdf期间下降到VGE 时，集电极电流从IC下降至0.9IC。在延迟时间结束时，集电极-发射极电压开始上升。

初始下降时间 tf1定义为集电极电流从其最终值 IC 的90%下降到20%所需的时间。换句话说，这是集电极-发射极电压从 VCES上升至 0.1VCE的时间。

最终下降时间 tf2是集电极电流从IC的20%下降到10%所需的时间，或者是集电极-发射极电压从 0.1VCE上升至最终值VCE 的时间。

#05

IGBT主要用于与电力相关的应用。标准的功率双极型晶体管（BJT）响应特性非常慢，而MOSFET适用于快速开关应用，但在需要更高电流等级的情况下，MOSFET是一种成本较高的选择。IGBT适合替代功率BJT和功率MOSFET。

此外，IGBT与BJT相比提供了更低的“接通”电阻，由于这一特性，IGBT在高功率相关应用中具有热效率。

IGBT在电子领域的应用非常广泛。由于其低导通电阻、非常高的电流等级、高开关速度、零栅极驱动，IGBT被用于高功率电机控制、逆变器、具有高频转换区域的开关模式电源供应。

在上面的图像中，展示了使用IGBT的基本开关应用。RL是连接在IGBT的发射极到地之间的电阻性负载。跨负载的电压差表示为VRL。负载也可以是电感性的。在右侧显示了一个不同的电路。负载连接在集电极上，而电流保护电阻连接在发射极上。在两种情况下，电流都将从集电极流向发射极。

在双极型晶体管（BJT）的情况下，我们需要在BJT的基极上供应恒定电流。但在IGBT的情况下，就像MOSFET一样，我们需要在栅极上提供恒定电压，并且在恒定状态下维持饱和。

在左侧的情况下，电压差VIN（输入（栅极）与地/VSS之间的电位差）控制着从集电极流向发射极的输出电流。VCC和GND之间的电压差几乎相同地跨在负载上。

在右侧电路中，流经负载的电流取决于电压除以RS值。IRL2 = VIN/RS 

绝缘栅双极晶体管（IGBT）可以通过激活栅极来切换“开”和“关”状态。如果我们通过在栅极上施加电压使栅极更加正向，IGBT的发射极将保持IGBT在其“开”状态；如果我们使栅极变为负向或零，IGBT将保持在“关”状态。这与双极型晶体管（BJT）和MOSFET的开关方式相同。

IGBT是一种电压控制器件，因此它只需要在栅极上施加一个小电压就能保持导通状态。由于这些是单向器件，它们只能切换从集电极到发射极的正向电流。下面展示了一个典型的IGBT开关电路，栅极电压VG被施加到栅极引脚上，以从一个供电电压V+切换一个电机（M）。电阻Rs大致上用来限制通过电机的电流。

特性

描述

控制方式

IGBT是电压控制器件，栅极只需小电压即可维持导通状态。

方向性

单向器件，电流只能从集电极流向发射极。

开关电路

栅极电压VG施加到栅极引脚，用于控制电机（M）的开关。

供电电压

电机由供电电压V+提供电能。

电流限制

电阻Rs用于限制通过电机的电流。

IGBT的开关特性使其在电力电子领域，尤其是在变频器、电动汽车牵引控制和太阳能逆变器等应用中非常受欢迎。其单向导电性意味着在设计电路时需要考虑电流的流向，而电压控制则提供了高效的开关控制能力。在实际应用中，还需要注意IGBT的驱动和保护，以确保器件的可靠性和延长使用寿命。IGBT因其多功能性，在广泛的应用中不可或缺。它们执行调节电压和电流、控制电机、为设备供电、支持可再生能源系统以及使电动车推进系统等关键功能。在电压和电流调节方面，IGBT对于确保电力供应的一致性和可控性至关重要。它们能够处理高电压和电流的能力，使它们非常适合要求精确度的应用，如工业自动化和与电网连接的系统。

基本上，IGBT是一种开关器件，其控制方式类似于MOSFET，但其输出特性与BJT相似。它用于功率放大器和其他开关器件，其操作并不复杂，只需依赖输入端电压来开启，以及负或零输入电压来关闭。IGBT没有BJT中常见的二次击穿问题。

应用领域

描述

电压和电流调节

IGBT确保电力供应的一致性和可控性。

电机控制

用于精确控制电机速度和扭矩。

设备供电

为各种电力设备提供稳定的电力。

可再生能源系统

支持太阳能和风能等可再生能源系统的逆变器。

电动车推进

用于电动车的牵引控制系统，提供高效动力。

工业自动化

在自动化生产线中控制和调节电力。

电网连接系统

用于电网调节，确保电力供应的稳定性和效率。

IGBT的多功能性使其在现代电力电子领域中扮演着核心角色。它们结合了MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通压降，提供了一个在高电压和电流应用中的有效解决方案。IGBT的简单开关机制和对二次击穿问题的免疫，使其成为一种可靠且高效的电力电子开关选项。

#06

基于是否包含N+缓冲层，IGBT分为两种类型。这个额外层的包含将它们分为对称和非对称IGBT。

6.1

穿透型IGBT 

穿透型IGBT包含N+缓冲层，这也是它也被称为非对称IGBT的原因。它们具有非对称的电压阻断能力，即它们的正向和反向击穿电压是不同的。它们的反向击穿电压小于其正向击穿电压。它具有更快的开关速度。

穿透型IGBT是单向的，不能处理反向电压。因此，它们被用于直流电路，如逆变器和斩波电路。

6.2

非穿透型IGBT

它们也被称为对称IGBT，因为缺少额外的N+缓冲层。结构的对称性提供了对称的击穿电压特性，即正向和反向击穿电压相等。由于这个原因，它们被用于交流电路。

6.3

两者的差异 

1.导通损耗 

对于给定的开关速度，NPT（非穿透型）技术通常比PT（穿透型）技术具有更高的VCE(on)（导通集电极-发射极电压）。这一差异因NPT的VCE(on)随温度升高而增加（正温度系数）而进一步放大，而PT的VCE(on)随温度升高而降低（负温度系数）。然而，对于任何IGBT，无论是PT还是NPT，开关损耗都是与VCE(on)相权衡的。高速IGBT具有更高的VCE(on)；低速IGBT具有更低的VCE(on)。实际上，一个非常快的PT设备可能比一个开关速度较慢的NPT设备的VCE(on)更高。

2.开关损耗 

对于给定的VCE(on)，PT IGBT具有更高的速度开关能力以及更低的总开关能量。这是由于增益更高和少数载流子寿命减少，这抑制了尾电流。

3.鲁棒性

NPT IGBT通常是短路额定的，而PT器件通常不是，NPT IGBT能比PT IGBT吸收更多的雪崩能量。由于PNP双极晶体管的基区更宽和增益更低，NPT技术更坚固。这是通过与NPT技术交换开关速度所获得的主要优势。制造一个超过600伏VCES的PT IGBT很困难，而使用NPT技术则很容易做到。

4.温度效应 

对于PT和NPT IGBT，导通开关速度和损耗实际上不受温度影响。然而，二极管的反向恢复电流随着温度的升高而增加，因此外部二极管的温度效应会影响IGBT导通损耗。对于NPT IGBT，关断速度和开关损耗在工作温度范围内保持相对恒定。对于PT IGBT，关断速度随着温度的升高而降低，因此开关损耗随之增加。然而，由于尾电流抑制，开关损耗本来就很低。

如前所述，NPT IGBT通常具有正温度系数，这使它们非常适合并联。正温度系数对于并联设备是可取的，因为热设备比冷设备导通的电流少，因此所有并联设备倾向于自然共享电流。然而，认为PT IGBT因其负温度系数而不能并联是一种误解。PT IGBT可以并联，原因如下：

它们的温度系数倾向于几乎为零，在更高电流下有时为正。 通过散热器的热量共享倾向于迫使设备共享电流，因为热设备会加热其邻居，从而降低它们的导通电压。 影响温度系数的参数在设备之间往往很好地匹配。

特性

穿透型IGBT (PT-IGBT)

非穿透型IGBT (NPT-IGBT)

短路故障模式

耐用性较差，热稳定性较低

耐用性较强，热稳定性较高

集电极掺杂

重掺杂P+层

轻掺杂P层

导通状态电压温度系数

正温度系数较小，需要小心并联操作

正温度系数较强，便于并联操作

关断损耗与温度敏感性

对温度较敏感，高温下显著增加

对温度不敏感，随温度变化保持不变

#07

IGBT结合了BJT（双极型晶体管）和MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的最佳特性，因此在几乎所有方面都表现出色。以下是一张比较IGBT、BJT和MOSFET特性的图表，我们在这里比较它们的最大能力。

特性

功率BJT

功率MOSFET

IGBT

电压等级

高 < 1kV

高 < 1kV

非常高 > 1kV

电流等级

高 < 500 A

低 < 200 A

非常高 > 500 A

输入参数

基极电流, Ib

电压, VGS

电压, VGE

输入驱动

电流增益 (hfe) 20-200

电压, VGS 3-10V

电压, VGE 4-8V

输入驱动功率

高

低

低

输入驱动电路

复杂

简单

简单

输入阻抗

低

高

高

输出阻抗

低

中等

低

开关损耗

高

低

中等

开关速度

低

快

中等

成本

低

中等

高

上表比较了功率BJT（双极型晶体管）、功率MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和IGBT（绝缘栅双极晶体管）的一些关键特性。IGBT在电压和电流等级上提供了比BJT和MOSFET更高的性能，尤其是在高电压应用中。

IGBT的输入驱动功率低，意味着驱动IGBT所需的能量较小，这有助于降低整体系统的能耗。此外，IGBT的输入阻抗和MOSFET一样高，这有助于减少驱动电路的复杂性。尽管IGBT的开关速度不如MOSFET快，但其开关损耗较低，这在高功率应用中是一个重要的优势。然而，IGBT的成本通常高于BJT和MOSFET，这可能会影响其在成本敏感型应用中的采用。

#08

IGBT功率模块是电力电子领域的一项关键技术，IGBT模块是电力电子技术中的高级组件，它们通过精心设计，集成了多个IGBT单管或芯片，以实现更为复杂和强大的电气控制功能。

这些模块不仅能够承载更高的电流和电压，而且在设计上采用了先进的并联和串联配置，以满足高功率应用的需求。它作为一种高效的电子开关器件，使得电流能够在直流（DC）和交流（AC）之间灵活转换。这一能力对于现代电力系统的运行至关重要，因为它允许我们根据不同的应用需求，对电流形式进行精确控制。

在实际应用中，IGBT模块的作用可以比喻为一个高度精密的转换器。就像一个熟练的魔术师，它能够在一瞬间将直流电的单向流动转变为交流电的双向交替，或者进行反向转换。这种转换不仅要求极高的速度，还需要极高的精确度，以确保电力系统的稳定和效率。

想象一下，如果你是一个直流电源，现在需要为一个需要交流电的设备供电。在这种情况下，你可能需要一个能够快速切换电流方向的开关，这个开关能够在极短的时间内（例如，每秒100次）改变电流的方向，从而产生交流电。这样的切换速度对于人类来说是不可想象的，但对于IGBT功率模块来说却是轻而易举的。

IGBT模块的这种能力使其在电动车、工业变频器、太阳能逆变器、风力发电系统以及各种需要快速切换电流的场合中发挥着至关重要的作用。它们不仅能够提高电能转换的效率，还能够延长电池和其他电力存储设备的使用寿命，从而降低整体的运行成本。

IGBT模块内部结构 

在对IGBT模块的外部结构和应用有了初步了解之后，让我们探索这个高科技黑色模块的内部构造。

图中展示了去除黑色外壳后的IGBT模块内部照片。值得注意的是，IGBT模块内部并没有使用贵金属，其中金色的部分实际上是铜而非金，银色的部分则是铝而非银。

如果去除黑色外壳和外部连接端子，IGBT模块主要由三个部分组成：散热基板、DBC（直接键合铜）基板以及硅芯片（包括IGBT芯片和二极管芯片），其余的主要是焊料。层间和互连线用于连接IGBT芯片、二极管芯片、电源端子、控制端子和DBC。下面我们简要介绍每个部分：

1.散热基板：

IGBT模块的底部是散热基板，其主要目的是快速传递IGBT开关过程中产生的热量。由于铜具有更好的热传导性，基板通常由铜制成，基板的厚度为3-8毫米。当然，也有其他材料的基板，例如：铝碳化硅（AlSiC），它们各自都有优缺点。

2.DBC基板：

位于散热基板之上，用于提供电气连接和机械支撑，通常由铜和陶瓷复合材料制成。DBC（Direct Bond Copper），即直接铜覆基板的全名，也简称为：DCB（Direct Copper Bond），两者含义相同。DBC是一种陶瓷表面金属化技术，由三层组成，中间是陶瓷绝缘层，上下是铜覆层，如图6a所示。简单来说，就是在绝缘材料的两侧各镀上一层铜，然后在正面蚀刻出可以承载电流的图案，背面则直接焊接到散热基板上，因此不需要蚀刻。

DBC基板的主要功能是确保硅芯片与散热基板之间具有良好的电气绝缘能力和良好的热传导性，同时还必须满足一定的电流传输能力。DBC基板类似于一个双层PCB（印刷电路板）电路板。PCB中间的绝缘材料通常是FR4（FR4是玻璃纤维增强环氧树脂板的通用名称），而DBC常用的陶瓷绝缘材料是氧化铝（Al2O3）和氮化铝（AlN）。

如图所示，IGBT模块其内部共有6个DBC（直接键合铜）基板，每个DBC上装有4个IGBT芯片和2个二极管芯片，其中2个IGBT芯片和1个二极管芯片用作上管，其余的用作下管。

3.硅芯片：

包括IGBT芯片和二极管芯片，是模块的核心部分，负责电流的开关和控制。

IGBT芯片：

如IGBT芯片型号为：IGCT136T170，其手册可以从英飞凌官方网站下载。图中展示了IGBT芯片的顶视图和基本参数。IGBT的栅极和发射极位于芯片的上方（正面），集电极位于下方（背面），芯片的厚度为200微米。IGBT开通后，电流从底部流向顶部，因此这种结构的IGBT也可以被称为垂直器件。

这款芯片在100°C时能够通过117.5A的直流电流。从图4可以看出，模块内单个IGBT器件共包含12个IGBT芯片，因此总电流为：117.5A * 12 = 1412A，这基本上与IGBT模块手册中额定电流1400A相匹配。

二极管芯片

如图是二极管芯片的顶视图，其中阳极在前，阴极在后。二极管的电流方向是从上到下，这与IGBT的电流方向完全相反。

二极管芯片的额定电流为235A，每个IGBT由6个并联的二极管组成，总电流可以达到1410A，这与模块手册中的1400A基本一致。二极管芯片的厚度与IGBT相同，也是200微米。

看到这一点，大家可能会对在如此小的面积和如此薄的半导体材料上实现高千伏电压的开通和关闭以及数百安培电流的控制感到惊讶，这确实是非常了不起的，也是高功率半导体器件价格非常昂贵的原因之一。

在电力电子领域，IGBT和二极管这样的半导体器件能够在极小的尺寸内处理极大的电压和电流，这得益于它们精巧的内部结构和先进的制造工艺。这些器件的设计和制造涉及到复杂的物理原理和精确的工程技术，以确保它们能够在极端的工作条件下稳定运行。

4.焊料：

用于将不同的组件固定在一起，并提供电气连接。

5.层间和互连线：

这些细小的连接线负责将IGBT芯片和二极管芯片与外部的电源端子和控制端子相连，确保电流的正确流动。IGBT芯片、二极管芯片与DBC之间的上层铜层互连通常是通过键合线来实现的。常用的键合线有铝线和铜线，如图所示。

其中，铝线键合工艺成熟且成本低，但铝线键合的电气和热力学性能较差，热膨胀系数不匹配程度大，这会影响IGBT的使用寿命。铜线键合工艺具有优良的电气和热力学性能、高可靠性，适合用于高功率密度和高效散热的模块。

6.IGBT内部电流趋势 ：

在对IGBT模块的内部结构有了基本了解之后，让我们回过头来将上述所有组件互联起来，看看IGBT模块内部电流是如何流动的。这里我们以一个DBC中的上管IGBT为例来说明电流的流向。红色代表上管IGBT（S1和S2）的电流方向，蓝色代表二极管D1的电流方向。图b是图a模块电流方向的左侧剖面视图和示意图。

IGBT模块的电流流动是一个复杂的三维过程，涉及到芯片内部的电子迁移和电洞流动。在IGBT工作时，电流首先通过栅极（Gate）进入，然后通过发射极（Emitter）流入IGBT芯片的内部，随后在集电极（Collector）处流出。对于上管IGBT，电流从集电极流向发射极；而对于下管IGBT，电流则从发射极流向集电极。

在IGBT模块中，每个IGBT芯片都与一个或多个二极管芯片相连，以实现特定的电流路径。在正常工作条件下，IGBT和二极管按照预定的顺序导通和关断，以控制电流的流向，从而实现能量的转换和传递。

IGBT模块的内部结构设计旨在实现高效的热管理、电气连接和机械稳定性，以满足电力电子应用中的高性能要求。通过这种精心设计的内部结构，IGBT模块能够在各种高功率应用中可靠地工作，包括电动汽车、工业驱动和能源转换系统。

此外，IGBT模块的设计和制造也在不断进步，以适应更高的功率密度、更小的体积和更低的能耗。随着技术的不断发展，IGBT模块在电力电子领域的应用将更加广泛，它们将继续作为电力转换的核心组件，推动着能源利用的创新和进步。

#09

IGBT（绝缘栅双极晶体管）作为电力电子技术的核心器件之一，广泛应用于新能源汽车、风力发电、工业电机、轨道交通等多个领域。以下是关于IGBT及其相关模块的市场竞争格局的概述：

9.1

市场容量及未来空间

全球市场规模：据YOLE数据显示，2022年全球IGBT市场规模约为68亿美元，预计到2026年将达到84亿美元。

中国市场规模：中国是全球最大的IGBT市场，约占全球市场规模的40%，预计到2025年中国IGBT市场规模将达到522亿元。

9.2

国内外玩家

国际企业：全球IGBT市场竞争格局较为集中，英飞凌、富士电机、三菱等企业占据主要市场份额。

国内企业：中国IGBT产业起步较晚，但近年来国内企业如斯达半导、新洁能、比亚迪、宏微科技、士兰微等正在快速追赶并提升产业化水平。

以下是IGBT产业链的国内外厂家介绍，按照上中下游分为三个部分，每个部分列出了10个厂家作为示例。请注意，实际厂家数量可能更多，以下表格仅提供部分信息。

序号

厂家名称

国家/地区

主要产品及服务

1

中环股份

中国

硅片等半导体材料

2

SUMCO

日本

硅片等半导体材料

3

应材公司（Applied Materials）

美国

半导体制造设备

4

泛林半导体（Lam Research）

美国

半导体制造设备

5

ASML

荷兰

光刻机等半导体设备

6

Tokyo Electron

日本

半导体制造设备

7

Entegris

美国

半导体材料和化学品

8

华曙高科

中国

光刻胶等半导体材料

9

Shin-Etsu Chemical

日本

半导体级硅片

10

江苏南大光电材料

中国

光刻胶等半导体材料

序号

厂家名称

国家/地区

主要产品及服务

1

英飞凌（Infineon）

德国

IGBT芯片设计与制造

2

士兰微

中国

IGBT芯片设计与制造

3

华微电子

中国

IGBT芯片制造

4

重庆华润微

中国

IGBT芯片制造

5

台基股份

中国

IGBT模块研发

6

扬杰科技

中国

IGBT芯片制造

7

科达半导体

中国

IGBT芯片设计

8

达新半导体

中国

IGBT芯片设计与制造

9

紫光微电子

中国

IGBT芯片设计

10

无锡新洁能

中国

MOSFET、IGBT等半导体功率器件研发设计及销售

序号

厂家名称

国家/地区

主要产品及服务

1

比亚迪微电子

中国

IGBT模块及电动汽车相关产品

2

宏微科技

中国

IGBT模块及电力电子装置的模块化设计、制造

3

威海新佳

中国

IGBT国家标准起草单位之一

4

银茂微电子

中国

电力电子模块

5

华虹宏力

中国

8英寸集成电路芯片制造厂

6

上海先进

中国

IGBT代工业务

7

中芯国际

中国

集成电路制造与技术服务

8

方正微电子

中国

晶圆制造技术

9

华润上华

中国

晶圆制造技术

10

嘉兴斯达

中国

IGBT模块研发、生产和销售服务

9.3

装机量数据

中国产量增长：2019年至2021年，中国IGBT行业的产量分别为1550万只、2020万只和2580万只，预计到2023年产量将增长至3624万只。

模块产量：考虑到IGBT行业主要产品是模块，而模块主要采用多个IGBT芯片并联方式，若以1：2.5的比例测算，2021年中国IGBT芯片产量约为6450万片。

9.4

竞争格局总结

国际竞争：全球IGBT市场由国外头部企业垄断，如英飞凌、富士、三菱等，这些企业在技术和市场占有率上具有明显优势。

国内竞争：中国IGBT芯片行业自给率较低，大部分依赖进口，但国内企业正通过技术创新和产业化提升，逐步提高国产化率。

市场潜力：新能源汽车和新能源发电等领域的快速发展，为IGBT市场提供了巨大的增长空间。

综上所述，IGBT市场目前呈现出国际企业主导、国内企业快速发展的竞争格局，同时市场容量和装机量均显示出积极的增长趋势。随着技术的不断进步和政策的支持，预计未来IGBT市场将继续保持增长态势。

总  结：

IGBT作为一种电力电子器件，它结合了BJT和MOSFET的优点，具有高电压和电流处理能力，同时保持了高输入阻抗和低导通状态电阻。

特性

优点

结合优势

IGBT具备BJT和MOSFET的优点。

电压和电流处理能力

具有更高的电压和电流处理能力。

输入阻抗

具有非常高的输入阻抗。

开关能力

能够使用非常低的电压切换非常高的电流。

控制方式

是电压控制的，即没有输入电流和低输入损耗。

驱动电路

栅极驱动电路简单且便宜。

开关操作

通过施加正电压容易开启，通过施加零或略负电压容易关闭。

导通状态电阻

具有非常低的导通状态电阻。

电流密度

具有高电流密度，使得芯片尺寸可以更小。

功率增益

比BJT和MOSFET都有更高的功率增益。

开关速度

比BJT有更高的开关速度。

IGBT的电压控制特性使得栅极驱动电路设计简单，且由于没有输入电流，因此输入损耗低。此外，IGBT的高电流密度允许其芯片尺寸更小，且比BJT具有更高的功率增益和更快的开关速度。然而，IGBT也有一些缺点，如比MOSFET慢的开关速度，以及由于其单向导电性，不能在反向导通。此外，IGBT的成本通常高于BJT和MOSFET，且由于其结构，可能会遇到锁存问题，这需要在设计时进行特别考虑。

特性

缺点

开关速度

比MOSFET有更低的开关速度。

方向性

是单向的，不能反向导通。

反向电压阻断

不能阻断更高的反向电压。

成本

比BJT和MOSFET更昂贵。

结构问题

由于PNPN结构类似于晶闸管，存在锁存问题。

尽管如此，IGBT在许多高功率应用中仍然是首选器件，其性能优势在很大程度上弥补了这些缺点。