中能微電子
IGBT系列
中能微電子是由國(guó)內(nèi)資深研發(fā)團(tuán)隊(duì)、銷(xiāo)售精英團(tuán)隊(duì)發(fā)起成立的、以高性能功率器件研發(fā)與銷(xiāo)售為主的技術(shù)驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)企業(yè)。公司總部位于廈門(mén)海滄區(qū)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)園，屬于國(guó)家重點(diǎn)扶持的高新企業(yè)。本文將為大家介紹IGBT系列產(chǎn)品。
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關(guān)于IGBT的介紹
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）又稱(chēng)為絕緣柵雙極型晶體管。是由BJT(雙極型晶體管) 和MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體場(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，其具有自關(guān)斷的特征。簡(jiǎn)單來(lái)講，它是一個(gè)非通即斷的開(kāi)關(guān)裝置，IGBT沒(méi)有放大電壓的功能，導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線，斷開(kāi)時(shí)可以看做開(kāi)路。IGBT融合了BJT和MOSFET這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，IGBT既有MOSFET的開(kāi)關(guān)速度高、輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)損耗小的優(yōu)點(diǎn)，又有BJT導(dǎo)通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小的優(yōu)點(diǎn)，是電力電子領(lǐng)域較為理想的開(kāi)關(guān)器件。
IGBT模塊是由IGBT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，具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)。
01
IGBT 的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)
IGBT剖面圖、等效電路及符號(hào)
IGBT的工作原理如上圖所示，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則MOSFET導(dǎo)通,這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V時(shí)，則MOSFET截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。
IGBT內(nèi)部有三個(gè)端子，分別為集電極、發(fā)射極和柵極，端子上都附有金屬層。IGBT結(jié)構(gòu)是一個(gè)四層半導(dǎo)體器件。四層器件是通過(guò)組合PNP和NPN晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它們構(gòu)成了PNPN排列。
IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
IGBT是由MOSFET和GTR技術(shù)結(jié)合而成的復(fù)合型開(kāi)關(guān)器件，是通過(guò)在功率MOSFET的漏極上追加p+層而構(gòu)成的，性能上也是結(jié)合了MOSFET和雙極型功率晶體管的優(yōu)點(diǎn)。N+區(qū)稱(chēng)為源區(qū)，附于其上的電極稱(chēng)為源極(即發(fā)射極E)；P+區(qū)稱(chēng)為漏區(qū)，器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱(chēng)為柵極(即門(mén)極G)。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(qū)(包括P+和P-區(qū))(溝道在該區(qū)域形成)稱(chēng)為亞溝道區(qū)(Subchannel region)。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱(chēng)為漏注入?yún)^(qū)(Drain injector)，它是IGBT特有的功能區(qū)，向漏極注入空穴，進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，以降低器件的通態(tài)壓降。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱(chēng)為漏極(即集電極C)。
02
IGBT的分類(lèi)
一、IGBT在應(yīng)用層面通常根據(jù)電壓等級(jí)劃分
〡、低壓IGBT：
指電壓等級(jí)在1000V以?xún)?nèi)的IGBT器件，例如常見(jiàn)的650V應(yīng)用于新能源汽車(chē)、家電、工業(yè)變頻等領(lǐng)域。
〢、中壓IGBT：
指電壓等級(jí)3300V及以上的IGBT器件，比如3300V和6500V應(yīng)用于高鐵、 動(dòng)車(chē)、智能電網(wǎng)，以及工業(yè)電機(jī)等領(lǐng)域。
二、在產(chǎn)品層面通常根據(jù)封裝方式分類(lèi)
〡、IGBT單管：
封裝規(guī)模較小，一般指封裝單顆IGBT芯片，電流通常在50A以下，適用于消費(fèi)、工業(yè)家電領(lǐng)域。
〢、IGBT模塊：
IGBT最常見(jiàn)的形式，是將多個(gè)IGBT芯片集成封裝在一起，功率更大、散熱能力更強(qiáng)，適用于高壓大功率平臺(tái)，如新能源車(chē)、光伏、高鐵等。
〣、功率集成（IPM）：
指把IGBT模塊加上散熱器、電容等外圍組件，組成一個(gè)功能較為完整和復(fù)雜的智能功率模塊。
三、從結(jié)構(gòu)上講，IGBT主要有三個(gè)發(fā)展方向：
〡、IGBT縱向結(jié)構(gòu)：
帶緩沖層的PT型、非透明集電區(qū)NPT型、透明集電區(qū)NPT型和FS電場(chǎng)截止型；
〢、IGBT柵極結(jié)構(gòu)：
平面柵結(jié)構(gòu)、Trench溝槽型結(jié)構(gòu)；
〣、硅片加工工藝：
外延生長(zhǎng)技術(shù)、區(qū)熔硅單晶；
IGBT的主要應(yīng)用領(lǐng)域
IGBT作為工業(yè)控制及自動(dòng)化領(lǐng)域的核心元器件，能夠根據(jù)信號(hào)指令來(lái)調(diào)節(jié)電路中的電壓、電流、頻率、相位等，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控的目的，被稱(chēng)為現(xiàn)代電力電子行業(yè)里的“CPU”，廣泛應(yīng)用于電機(jī)節(jié)能、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、家用電器、汽車(chē)電子、新能源發(fā)電、新能源汽車(chē)等眾多領(lǐng)域。
01
新能源汽車(chē)
IGBT模塊在電動(dòng)汽車(chē)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是電動(dòng)汽車(chē)及充電樁等設(shè)備的核心技術(shù)部件。針對(duì)車(chē)規(guī)級(jí)IGBT模塊的特殊要求，IGBT技術(shù)正朝著小型化、低功耗、耐高溫、高安全和智能化的方向發(fā)展。IGBT模塊占電動(dòng)汽車(chē)成本將近10％，占充電樁成本約20％。它主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域中以下幾個(gè)方面：
電動(dòng)控制系統(tǒng)大功率直流／交流（DC／AC）逆變后驅(qū)動(dòng)汽車(chē)電機(jī)。
車(chē)載空調(diào)控制系統(tǒng)小功率直流／交流（DC／AC）逆變，使用電流較小的IGBT和FRD。
智能充電樁及逆變器中IGBT模塊被作為開(kāi)關(guān)元件使用。
02
智慧電網(wǎng)
IGBT廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)的發(fā)電端、輸電端、變電端及用電端：
從發(fā)電端來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電中的整流器和逆變器都需要使用IGBT模塊。
從輸電端來(lái)看，特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術(shù)需要大量使用IGBT等功率器件。
從變電端來(lái)看，IGBT是電力電子變壓器（PET）的關(guān)鍵器件。
從用電端來(lái)看，白電、微波爐、電磁爐、驅(qū)動(dòng)電源等都對(duì)IGBT有大量的需求。
03
軌道交通
IGBT器件已成為軌道交通車(chē)輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。交流傳動(dòng)技術(shù)是現(xiàn)代軌道交通的核心技術(shù)之一，在交流傳動(dòng)系統(tǒng)中牽引變流器是關(guān)鍵部件，而IGBT又是牽引變流器最核心的器件之一。
04
家電行業(yè)
家電行業(yè)是IGBT器件的穩(wěn)定市場(chǎng)。變頻空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)的核心控制部件是變頻控制器，它承擔(dān)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)、PFC功率校正 以及相關(guān)執(zhí)行器件的變頻控制功能。而變頻控制器很重要的一環(huán)就是IPM模塊，IPM將功率器件芯片（IGBT+FRD或高壓 MOSFET）、控制IC和無(wú)源元件等這些元器件高密度貼裝封裝在一起，通過(guò)IPM，MCU就能直接高效地控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，配合白家電實(shí)現(xiàn)低能耗、小尺寸、輕重量及高可靠性的要求。
中能微電子一直致力于推進(jìn)中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，依托產(chǎn)學(xué)研資源優(yōu)勢(shì)，結(jié)合自身研發(fā)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)專(zhuān)利技術(shù)的積累，推出基于第七代技術(shù)路線的微溝槽柵-場(chǎng)截止型FS-Trench-IGBT，實(shí)現(xiàn)了更好的溝槽密度，改善了閂鎖電流密度，元胞間距也經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，并且優(yōu)化了寄生電容參數(shù)，從而提高了開(kāi)關(guān)性能，對(duì)短路電流能力也進(jìn)行了優(yōu)化，持續(xù)提升產(chǎn)品性能。
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