英飞凌第4代IGBT芯片技术

IGBT是什么？作者：海飞乐技术时间：2017-04-13 16:00IGBT是什么？IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，所以它是一个有MOS Gate的BJT晶体管，可以简单理解为IGBT是MOSFET和BJT的组合体。

MOSFET主要是单一载流子(多子)导电，而BJT是两种载流子导电，所以BJT的驱动电流会比MOSFET 大，但是MOSFET的控制级栅极是靠场效应反型来控制的，没有额外的控制端功率损耗。

所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的优点组合起来的，兼有MOSFET的栅极电压控制晶体管(高输入阻抗)，又利用了BJT的双载流子达到大电流(低导通压降)的目的 (Voltage-Controlled Bipolar Device)。

从而达到驱动功率小、饱和压降低的完美要求，广泛应用于600V以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

图1IGBT实物图左图IGBT模块，右图IGBT管IGBT有什么用？绝缘栅双极晶体管（IGBT）是高压开关家族中最为年轻的一位。

由一个15V高阻抗电压源即可便利的控制电流流通器件从而可达到用较低的控制功率来控制高电流。

IGBT就是一个开关，非通即断，如何控制他的通还是断，就是靠的是栅源极的电压，当栅源极加+12V（大于6V，一般取12V到15V）时IGBT导通，栅源极不加电压或者是加负压时，IGBT关断，加负压就是为了可靠关断。

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有三个端子，分别是G，D，S，在G和S两端加上电压后，内部的电子发生转移（半导体材料的特点，这也是为什么用半导体材料做电力电子开关的原因），本来是正离子和负离子一一对应，半导体材料呈中性，但是加上电压后，电子在电压的作用下，累积到一边，形成了一层导电沟道，因为电子是可以导电的，变成了导体。

IGBT芯片技术发展概述摘要：回顾IGBT芯片技术的发展历程，从最开始发明，经过不断研究，目前已经广泛的应用在工业控制、电动汽车、轨道交通、智能电网、变频家电中。

本文着重介绍了IGBT芯片技术发展历程中，不同时期解决的技术难题，包括闩锁问题、IGBT关断拖尾、降低饱和压降等，以及未来的发展展望。

关键字：IGBT; RC-IGBT; CS-TBT; SJ-IGBT; SIC-IGBTOverview of IGBT chip technology developmentAbstract: Reviewing the development history of IGBT chip technology, after continuous research from the beginning, it has been widely used in industrial control, electric vehicles, rail transit, smart grid and frequency conversion equipment. This article focuses on the technical problems solved in different periods during the development of IGBT chip technology, including latch-up problems, IGBT turn-off tailing, reduction of saturation voltage drop, etc., as well as future development prospects.Keywords: IGBT; RC-IGBT; CS-TBT; SJ-IGBT; SIC-IGBT图1 IGBT Latch-Up示意图图2 Non-Latch-Up IGBT器件结构至此，IGBT进入快速发展的阶段，多家厂商成功量产出IGBT，并不断迭代升级。

IGBT产业链梳理，大摩热捧的逻辑是什么？今天我们要研究的这条产业链，其实是“新基建”的核心赛道，5G基站、特高压、高铁轨交、充电桩的顺利推动，样样都离不开它。

这行业某龙头A，2020年2月上市以来，连续20个交易日一字涨停，创下近两年的一字板记录。

其股价从首发当日的15.26元/股，一路上涨至199.52元/股，短短半年时间，上涨10倍。

图：龙头A股价图来源：wind再来看港市龙头B，2020年至今涨幅高达69.81%，振幅达154.57%。

图：龙头B股价图来源：wind它就是——IGBT产业链，堪称电力电子行业里的“CPU”。

上述两家代表龙头，分别对应斯达半导VS华虹半导体。

2020年3月份，摩根斯坦利发布研报称，“新基建”计划有一个共同的特点，就是——他们都需要电源管理或由电力驱动。

作为电力电子重要的开关部件，IGBT将有助于推动新基建的发展。

看到这里，值得思考的问题随之而来：一是，IGBT这个赛道增长驱动力是什么？对于半导体行业，技术方向VS需求，什么才是投资的主轴？二是，这个行业的市场参与者有谁？他们未来的增长空间有多少？（壹）功率半导体，按工作的电压和频率，主要划分为MOSFET（40%）、IGBT（33%）、二极管（27%）。

IGBT的集成度、结构的复杂程度均排首位，被称为电力电子行业里的“CPU”。

图：IGBT应用领域来源：国元证券从产业链来看，IGBT作为半导体产业子赛道，根据是否自建晶圆产线，分为IDM和fabless两种模式。

按照生产流程来分，IGBT产业链包括：上游的设计环节，以及中游制造、下游的模组等。

其中：上游——设计环节主要是结合材料的物理性质，对单个器件进行参数设计、调整、性能改良等，代表企业有新洁能、华微电子、斯达半导。

中游——制造环节价值占比40%以上，制造难点在于晶圆减薄、沟槽工艺、应力控制、高剂量离子注入和激光退火等。

代表企业有IDM 厂，如：英飞凌、意法半导体，也有foundry厂：华虹半导体、华润微。

英飞凌IGBT模块应用笔记目录1 摘要2 导言2.1 数据表的状态2.2 型号命名规则3 数据表参数——IGBT3.1 集电极-发射极电压VCES3.2 总功率损耗集电极-发射极电压Ptot3.3 集电极电流IC3.4 重复性集电极峰值电流ICRM3.5 反向偏压安全运行区域RBSOA3.6 典型输出和传递特性3.6.1 IGBT器件结构以及IGBT与功率MOSFET在输出特性上的区别3.6.2 传递特性和输出特性（IGBT数据表）3.7 寄生电容3.7.1 测定电路3.7.2 栅极电荷Qg和栅极电流3.7.3 寄生导通效应3.8 开关时间3.9 短路3.10 泄漏电流ICES和IGES3.11 热特性4 数据表参数——二极管4.1 正向电流IF和正向特性4.2 重复性峰值正向电流IFRM4.3 反向恢复4.4 特热性5 数据表参数——NTC热敏电阻5.1 NTC阻值5.2 B值6 数据表参数——模块6.1 绝缘电压VISOL6.2 杂散电感LS6.3 模块电阻RCC’+EE’6.4 冷却回路6.5 安装扭矩M7 参考资料1 摘要注释：本应用笔记中给出的下列信息仅作为关于实现该器件的建议，不得被视为就该器件的任何特定功能、条件或质量作出的任何说明或保证。

本应用笔记旨在对IGBT模块的数据表中给出的参数和图表予以解释。

本应用笔记有助于要求使用IGBT模块的功率电子元件的设计者正确地使用该数据表，并为其提供背景信息。

文章来源：数据表中提及的每一项参数都给出了尽可能详细地表明该模块的特性的值。

一方面，有了这些信息，设计者应当能够对不同竞争对手提供的器件进行相互比较，另一方面，根据这些信息，设计者应当足以理解该器件的局限性所在。

本文档有助于更加深刻地理解数据表中标示的参数和特性。

本文档解释了这些参数与诸如温度等条件的影响之间的相互作用。

提及动态特性试验的数据表值，如开关损耗，均与具备确定的杂散电感和栅极电阻等等值的特定试验设置有关。

杂散电感对高效IGBT逆变器设计的影响杂散电感对高效IGBT逆变器设计的影响IGBT技术不能落后于应用要求。

因此，英飞凌推出了最新一代的IGBT 芯片以满足具体应用的需求。

与目前逆变器设计应用功率或各自额定电流水平相关的开关速度和软度要求是推动这些不同型号器件优化的主要动力。

这些型号包括具备快速开关特性的T4芯片、具备软开关特性的P4芯片和开关速度介于T4和P4之间的E4芯片。

表1简单介绍了IGBT的3个折衷点，并对相应的电流范围给出了建议。

表1：英飞凌1200V IGBT简介。

IGBT和二极管的动态损耗为研究和比较这三款不同芯片在杂散电感从23nH到100nH时的开关损耗和软度，我们选用了一种接近最优化使用T4芯片的合理限值的模块。

因此，选择一个采用常见的62mm封装300A半桥配置作为平台，而模块则分别搭载了这三款IGBT芯片。

这三个模块都采用了相同的高效发射极控制二极管和栅极驱动设置。

图1为实验设置。

图1：测试设置：为测试续流二极管的反向恢复特性，驱动高压侧IGBT，并将负载电感改为与低压侧二极管并联。

图2显示了两个不同杂散电感对配备IGBT-T4的300A半桥的开通波形的影响。

图2：T4的开通特性：上图显示的是针对两个电感（Ls=23nH和Ls=100nH）的损耗/时间曲线；下图显示的是电压和电流曲线。

当电流升高后，更高的杂散电感Ls不仅可以增大器件端子的电感压降（Δu=-L*di/dt），而且还能影响电流上升速度di/dt本身。

尽管寄生电感使导通速度减缓，但导通损耗却大幅降低。

在该示例中，初始开关阶段的损耗（见图2中的时间戳a）随着杂散电感的增大由30.4mW降至12mW。

开关事件第二阶段的特点是二极管出现反向恢复电流峰值以及IGBT 电压进一步下降。

寄生电感的增大会导致反向恢复电流峰值的延迟，以及第二阶段开关损耗的提高。

因此，就整个开关事件而言，寄生电感的增大可大幅降低开通损耗。