IGBT技术现状及发展趋势

　　IGBT是新型电力电子器件的主流器件之一，国外IGBT已发展到第三代。 IGBT在设计上将MOS和双机型晶体管结合起来，在性能上兼有双极型器件压降小、电流密度大和MOS器件开关快、频率特性好的双重优点；在制造业上，在高电压、大电流的晶闸管制造技术基础上采用了集成电路微细加工技术。目前国外生产IGBT的公司有：日本的三菱、东芝、富士、日立；美国的IR、IXYS、SGS、THOMSONS、MOTOROLA；德国的西门子等。

　　产品主要分为四类：(A)单独的IGBT:电流15～400A，电压400～1200V；（B）半桥IGBT：电流15～75A，电压500～1000V；（C）全桥IGBT：电流18～32A，电压400～500V；（D） 三相IGBT：电流15～100A，电压400～1200V。IGBT产品已模块化，每个IGBT都并联续流二极管，然后以一单元、二单元、六单元形式封装在同一模块外壳内。低功率IGBT应用范围一般都在600V、1kA、1kHz以上区域，为满足家电行业的发展需求，摩托罗拉、ST半导体、三菱等公司推出低功率IGBT产品，适用于家电行业的微波炉、洗衣机、电磁灶、电子镇流器、照相机等产品的应用。

　　近几年来，我国开发出IGBT及其模块，填补了我国IGBT器件的空白。进入90年代，IGBT耐压水平、电流容量和性能迅速提高。IGBT的耐压水平正向4500V方向发展，电流容量向2000～2500A发展。由IGBT构成的功率集成电路发展很快，智能化模块(IPM)研究水平达到400A,1200V。

　　家电领域IGBT单管和模块的大规模集成式产业化技术主要参数指标如下：

　　UCES=1200V, IC=5A～50A；

　　UCES(SAT)<3.4V(IC=300A时)；

　　TON<750ns；TR<250ns；TOFF<1μS；

　　耗散功率2kW (25℃以下)。

　　家电领域的加热电器主要技术指标：

　　电源：3相380V50Hz；

　　输出功率：1kW、2kW、3kW、5kW；

　　工作频率：5～10kHz、10～20kHz、25～50kHz；

　　启动成功率：100%；

　　输出功率稳定度：电源电压变动±10%时，输出变化不大于±1%；

　　效率：≥75%。

　　IGBT技术的研发趋势

　　1、加工工艺更精细

　　在开发IGBT的技术中，随着产品的更新换代，制造技术不断提高，精细加工也成为可能。现在，功率器件主要采用1μm以下的加工尺寸。

　　IGBT变迁与特性改进（标准特性）

　　从上表中可以看出每一代产品UCE（sat）及tf的标准特性。随着从第一代向第四代的进化，估计UCE（sat）可降低50％，tf可提高50～60％。

　　2、采用沟槽式栅极结构缩小芯片尺寸

　　从第三代向第四代发展过程中，通过从芯片表面向芯片内部沟槽式形成栅极，因为栅极的制作是从芯片表面向芯片内部挖一条沟，故将此结构称为沟槽结构。由于栅极沟槽化，使单胞单元尺寸缩小到原来的1/5。降低了MOSFET的沟道电阻，提高了单位芯片面积的电流密度。能制造同样额定电流而芯片尺寸最小的产品。

　　3、采用新材料改进产品特性

　　下一代IGBT的发展趋势之一是采用替代Si的新型材料改进产品特性。第二是通过寿命时间控制法,局部制作窗口,减少UCE（sat）的依赖特性，不提高UCE（sat）就能使开关特性达到高速化。第三是借助精细加工降低MOS部分的沟道电阻。利用这些方式，就能使开关特性与MOSFET相同，UCE（sat）与晶闸管相同的状况成为现实。

　　IGBT 研发新进展

　　IGBT(绝缘栅双极晶体管)作为新型电力半导体场控自关断器件，集功率MOSFET的高速性能与双极性器件的低电阻于一体，具有输入阻抗高，电压控制功耗代，控制电路简单，而高压，承受电流大等特性，在各种电力变换中获得极广泛的应用。各半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠、低成本技术，主要采用1μm以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。

　　U—IGBT。U（沟槽结构）—IGBT是在管芯上刻槽，芯片元胞内部形成沟槽式栅极。采用沟道结构后，可进一步缩小元胞尺寸，减少沟道电阻，提高电流密度，制造相同额定电流而芯片尺寸最小的产品。现有多家公司生产各种U—IGBT产品，适用低电压驱动、表面贴装的要求。

　　NPT—IGBT。NPT（非穿通型）—IGBT采用薄硅片技术，以离子注入发射区代替高复杂、高成本的厚层高阻外延，可降低生产成本25%左右，耐压越高成本差越大，在性能上更具特色，高速、低损耗、正温度系数，无锁定效应，在设计600～1200V的IGBT时，NPT—IGBT可靠性最高。西门子公司可提供600V、1200V、1700V系列产品和6500V高压IGBT，并推出低饱和压降DLC型NPT—IGBT，依克赛斯、哈里斯、英特西尔、东芝等公司也相继研制出NPT—IGBT及其模块系列，富士电机、摩托罗拉等在研制之中，NPTS型正成为IGBT发展方向。

　　SDB—IGBT。鉴于目前厂家对IBGT的开发非常重视，三星、快捷等公司采用SDB（硅片直接键合）技术，在IC生产线上制作第四代高速IGBT及模块系列产品，特点为高速，低饱和压降，低拖尾电流，正温度系数易于并联，在600V和1200V电压范围性能优良，分为UF、RUF两大系统。

　　超快速IGBT。国际整流器IR公司的研发重点在于减少IGBT的拖尾效应，使其能快速关断，研制的超快速IGBT可最大限度地减少拖尾效应，关断时间不超过2000ns，采用特殊高能照射分层技术，关断时间可在100ns以下，拖尾更短，重点产品专为电机控制而设计，现在6种型号，另可用在大功率电源变换器中。

　　IGBT/FRD。IR公司在IGBT基础上推出两款结合FRD（快速恢复二极管）的新型器件，IGBT/FRD有效结合，将转换状态的损耗减少20%，采用TO-247外型封装，额定规格为1200V、25、50、75、100A，用于电机驱动和功率转换，以IGBT及FRD为基础的新技术便于器件并联，在多芯片模块中实现更平均的温度，提高整体可靠性。

　　IGBT功率模块。IGBT功率模块采用IC驱动，各种驱动保护电路，高性能IGBT芯片，新型封装技术，从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高压大电流发展，其产品水平为1200～1800A/1800～3300V，IPM除用于变频调速外，600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。平面低电感封装技术是大电流IGBT多芯片并联的关键工艺，美国海军开发出以IGBT模块为有源器件的PEBB，用于舰艇上的导弹发射装置。IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代IPEM，其中所有的无源元件均以理层方式掩埋在衬底中，智能化、模块化正成为IGBT发展热点。                              (责编 连小卫)