【導讀】盡管人們對寬帶隙(WBG)功率半導體器件感到興奮，但硅基絕緣柵雙極晶體管(IGBTs)在今天比以往任何時候都更加重要。在我們10月份發(fā)布的電動汽車電力電子報告[2]中，TechInsights預測，xEV輕型汽車動力總成的產量將從2020年的910萬增長到2026年的4310萬，這使得其復合年增長率(CAGR)達到25%。SiC MOSFET目前預計占市場的約26%，到2029年預計將占市場份額的50%。
一年的結束通常是回顧和反思的時候。在TechInsights 2021年底發(fā)布的功率半導體博客中，我們總結了SiC MOSFET設計的一些最新發(fā)展[1]。
盡管人們對寬帶隙(WBG)功率半導體器件感到興奮，但硅基絕緣柵雙極晶體管(IGBTs)在今天比以往任何時候都更加重要。在我們10月份發(fā)布的電動汽車電力電子報告[2]中，TechInsights預測，xEV輕型汽車動力總成的產量將從2020年的910萬增長到2026年的4310萬，這使得其復合年增長率(CAGR)達到25%。SiC MOSFET目前預計占市場的約26%，到2029年預計將占市場份額的50%。
迄今為止，英飛凌已經發(fā)布了七代IGBT技術。在過去的二十年里，TechInsights已經分析并分類了這些器件的所有主要創(chuàng)新，那我們來回顧一下我們所看到的進展。
早前，英飛凌發(fā)布了其“電動傳動系統(tǒng)(EDT2)”系列的更多部件。雖然不是新一代，但它是最新IGBT7技術的汽車迭代。它們已經在市場上廣受接納。英飛凌于去年宣布，中國領先的逆變器供應商英博爾率先在其產品中采用EDT2 IGBT系列[3]。
我們已經從這個系列中看到了IGBT的兩種變體：
●一款分立產品(AIKQ120N75CP2XKSA1)，適用于從牽引變流器到DC-link放電開關的一系列汽車應用。
- 具有750 V VCE, VCE(SAT)= 1.3 V(典型@ 25°C, VGS = 15 V)，并與Si基PiN二極管共封裝，以提供反向傳導性能。
●FF300R08W2P2_B11A模塊針對牽引逆變器
- 具有四個750 V VCE, VCE(SAT) = 1.0 V(典型@ 25°C, VGS = 15 V) EDT2系列IGBTs。在半橋配置中，四個基于Si的PiN二極管提供300 A的模塊額定電流。
這兩種產品的詳細分析都可以在TechInsights的分析師dropbox的power essentials訂閱中看到。
表1記錄了我們多年來分析的各種英飛凌IGBTs，以及它們的一些顯著特征，一直追溯到第一代的原始版本。
表1: TechInsights對英飛凌IGBTs的分析、報告參考和值得注意的創(chuàng)新
關于IGBT
多年來，關于誰“發(fā)明”了IGBT一直存在一些爭議，我們不會在這里深入探討。最廣泛的共識是Jayant Baliga教授(他仍然在該領域非?；钴S，現(xiàn)在是北卡羅萊納州立大學功率半導體研究中心的主任)。20世紀80年代初，他在通用電氣公司廣泛從事IGBT技術的研究和開發(fā)。
從結構上講，IGBT只是一個功率垂直擴散(VD-MOSFET)，底部有一個P-type集電極而并不是一個N+漏極觸點，使其成為一個雙極器件。盡管有人說這是對其功能的過度簡化。
IGBT可以用幾種方式進行解釋和建模；我的偏好是作為一個MOSFET驅動的雙極晶體管(BJT)。將雙極晶體管的功率能力與MOSFET的簡單驅動需求和低關閉狀態(tài)（low off-state）功耗相結合。在正向傳導過程中，電子從頂部MOSFET“注入”到漂移區(qū)，空穴從底部P+集電極“注入”，如圖1所示。
圖1：IGBT的基本結構，包括MOSFET和BJT元件
這個結構中有許多復雜的微妙之處，這里無法一一介紹。例如，還存在由N+觸點/P type基極/ N-type漂移形成的寄生雙極晶體管以及寄生晶閘管(添加底部P+集電極觸點)。關于這些錯綜復雜的問題，有好幾本教材都是Baliga教授自己寫的![4]
與功率MOSFET相比，IGBT具有幾個優(yōu)點。主要是前面提到的雙極作用，它們是少數載流子器件，這意味著電子和空穴都在載流子輸運中活躍。這有點違反常理，人們可能會想象這些載流子都在漂移區(qū)域內重新組合，相互抵消。
這并沒有錯，但是有一個被稱為載流子壽命的特性，在此期間重組需要發(fā)生。假設這足夠高，電子和空穴共存足夠的時間在漂移區(qū)域，以創(chuàng)建一個“電子-空穴等離子體”，有效地降低該區(qū)域的電阻到一個顯著低于功率MOSFET的水平，反過來降低器件電阻和提高其實際電壓能力。
也有一些缺點需要考慮。
●當柵極關閉且VCE正向偏置時，IGBT具有正向阻塞能力。然而，由于在P+集電極/ N-type漂移區(qū)存在有效的二極管，因此既沒有反向阻塞也沒有反向傳導。因此，有必要在反并行配置(也稱為快速恢復二極管(FReD))中共同封裝額外的自由旋轉二極管(FWD)。
●該背面集電極二極管提供了一個~0.7 V的器件導通基礎的物理結構。也就是說，再多的優(yōu)化也無法克服這一點。這也是我們不從導通電阻(RDS(ON)),的角度討論IGBTs的原因，而是使用飽和電壓(VCE(SAT))作為性能指標。
●電子空穴等離子體的存在從根本上改善了器件的傳導性能，但對開關有負面影響，存在“尾電流”(與載流子重組相關的關斷時間的延長)。
因此，IGBTs在中功率/中頻應用中找到了一個利基市場，占據了包括汽車牽引市場在內的關鍵領域。圖2顯示了根據功率水平和頻率工作的一些關鍵電力電子應用空間，以及最合適的技術。請注意Si MOSFETs, IGBTS, SiC和GaN在汽車領域的重疊，每個制造商都希望在這個關鍵的增長市場中分得一杯羹。
圖2 a)按功率/頻率劃分的電力電子應用 b)最適合的技術
總結
希望這篇博客能夠說明IGBTs不僅在固態(tài)電力電子解決方案的發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，而且將在未來十年甚至更長時間內繼續(xù)發(fā)揮作用。
請務必持續(xù)關注TechInsights發(fā)布的Part 2，我們將介紹IGBT技術的早期發(fā)展，從punch-through (PT)到第一代non-punch-through (NPT)設計。TechInsights將討論各自的優(yōu)點以及我們在分析過程中發(fā)現(xiàn)的一些深入洞察。
References:
[1] 博客- Reviewing Approaches to SiC MOSFET Cell Design: https://library.techinsights.com/reverse-engineering/blog-viewer/62936#n...
[2]報告- Electric Vehicle Power Electronics: Increasing Use of 800 Volts, Integrated Designs and Silicon Carbide: https://library.techinsights.com/strategy-analytics/analysis-view/EVS-22...
[3]https://www.infineon.com/cms/cn/about-infineon/press/market-news/2022/IN...
[4] https://www.sciencedirect.com/book/9781455731435/the-igbt-device
（作者： Stephen Russell，來源： TechInsights微信公眾號）
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