一文看懂IGBT

中科院微电子研究所 今天

来源：大半导体


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：
  • 无焊接、 无引线键合及无衬板/基板封装技术；
  • 内部集成温度传感器、电流传感器及驱动电路等功能元件，不断提高IGBT模块的功率密度、集成度及智能度。

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：
  • 从发电端来看，风力发电、光伏发电中的整流器和逆变器都需要使用IGBT模块。
  • 从输电端来看，特高压直流输电中FACTS柔性输电技术需要大量使用IGBT等功率器件。
  • 从变电端来看，IGBT是电力电子变压器（PET）的关键器件。
  • 从用电端来看，家用白电、 微波炉、 LED照明驱动等都对IGBT有大量的需求。
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：
  • 国际厂商起步早，研发投入大，形成了较高的专利壁垒。
  • 国外高端制造业水平比国内要高很多，一定程度上支撑了国际厂商的技术优势
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。



国外IGBT产业链主要厂商

日德企业称霸全球


日系方面，全球有近70%的IGBT模块市场被三菱、东芝及富士等日系企业控制。德系的英飞凌也是全球IGBT龙头企业之一，其独立式 IGBT 功率晶体以24.7%的市场占有率位居第一，IGBT 模块则以20.5%的市场占有率位居第二。


瑞士系的ABB，长期保持着全球IGBT前十的地位，在高电压等级领域所向披靡。美系的ON、Fairchild（已被ON收购）、ADI、Vishay等均为全球功率器件的领头羊。


全球前十大IGBT厂商


据调研机构IHS于2016年公布的报告，英飞凌（Infineon）以独占全球24.5%的份额高居榜首，日本三菱电机（Mitsubishi ）则以24.4%的全球份额位列第二，另一日系大厂富士电机（Fuji Electric）以12.2%的占有率夺得季军。



其他排名依次为：赛米控（Semikron）、日立（Hitachi）、安森美（ON）、威科（Vincotech）、ABB（瑞士最大的IGBT厂商）、仙童（Fairchild，已被ON收购）、丹佛斯（Danfoss）、嘉兴斯达（Starpower）、东芝（Toshiba）、艾赛斯（IXYS）、CRRC（中国中车）、IR（国际整流器）。


以上排名中，三菱电机、富士电机、日立三家为日系公司，丹佛斯为丹麦公司，ABB为瑞士公司。英飞凌、威科及艾赛斯均为德企，威科起源于德国西门子机电集团，现由日本三菱电机控股，艾赛斯的总部则设在美国。


2014年，美国IR被英飞凌以30亿美元收购，2016年，安森美以26亿美元收购仙童。这两起大并购，迅速改写了IGBT全球市场的格局。


其中，大陆厂商嘉兴斯达及中国中车纷纷打入全球TOP15榜单，而嘉兴斯达目前还是国内最大的IGBT模块生产厂家。


以下几大厂商几乎垄断了全球的IGBT市场：


三菱电机：隶属于日本三菱企业集团，总部设在日本东京，创建于1921年，是一家具有90多年历史的企业。三菱电机早于2009年，就已经推出了第六代IGBT产品。


目前，三菱电机把主要资源集中在IGBT模块和智能功率模块(IPM)的生产上，其功率模块主要应用于工业、家电、电力机车以及电力行业的变频器上，这几个行业在全球都有着长期、稳定的增长。三菱电机的功率模块也应用于电动和混动汽车等快速发展的领域。在功率模块市场上，三菱电机的销售增长率超过全球市场的平均增长水平。


英飞凌：脱胎于西门子半导体部门，于1999年4月1日在德国慕尼黑正式成立，2000年上市，2002年后更名为英飞凌科技公司（以下简称英飞凌）。


目前，英飞凌为世界上第三大IGBT生产商及唯一拥有8inIGBT器件生产线的厂家，且其技术已发展到12in。作为少数几家掌握IGBT芯片核心技术的公司，其IGBT芯片产量居全球首位，一些电力半导体厂家均从英飞凌购买IGBT芯片用于封装IGBT模块。


英飞凌的超薄IGBT芯片加工技术对其他厂家也是一个巨大的技术挑战。在全球功率半导体市场，英飞凌连续9年名列榜首。


如今，英飞凌IGBT模块在中国工业应用领域的市场份额遥居第一位。其中，通用变频器超过55%，中高压变频器超过80%，逆变电焊机超过50%，感应加热超过80%，运输领域超过70％。


赛米控：又名西门康，全球前十大IGBT模块供应商，在1700V及以下电压等级的消费IGBT领域处于优势地位。目前，赛米控在全球二极管和晶闸管半导体模块市场占有25%的份额。


富士电机：世界第二大IGBT器件制造商，1987年成为松下电磁炉首个IGBT供应商，为丰田混合动力车提供IGBT器件使其又成为世界上最早进入汽车领域的IGBT供应商。与此同时，富士还是日立的IGBT芯片供应商。拥有全世界最多的IGBT器件方面的技术专利，总数达500件。


现在，富士电机的IGBT几乎占领了全日本的电动汽车领域。


值得注意的是，日本三洋于2008年被松下收购，2011年从东京证券交易所退市。在此之前，三洋一直是全球前十大IGBT供应商。另一日本大厂东芝，虽然穷到准备出售其半导体业务，但是在IGBT领域仍有一定话语权。



国内IGBT产业链主要厂商

以下为国内部分顶尖的IGBT厂商，涵盖了设计到制造：


其中，株洲时代电气是目前国内最大的IGBT生产商，现已建成全球第二条、国内首条8英寸IGBT芯片专业生产线，具备年产12万片芯片、并配套形成年产100万只IGBT模块的自动化封装测试能力，芯片与模块电压范围实现从650V到6500V的全覆盖。


比亚迪则与国家电网、上海先进半导体牵手，共同打造IGBT国产化产业链。2015年8月，上海先进半导体正式进入比亚迪新能源汽车用IGBT的供应链。而西安永电电气的6500V/600A IGBT功率模块已成功下线，为全球第四个、国内第一个能够封装6500V以上电压等级IGBT的厂家。


华润上华和华虹宏力基于6英寸和8英寸的平面型和沟槽型1700V、2500V和3300V IGBT芯片也已进入量产。




公众号ID：imecas_wx