绝缘栅双极晶体管@@(IGBTs)简史@@

judy -- 周五@@, 07/14/2023 - 10:00

作者@@： Stephen Russell，来源@@： TechInsights微信公众号@@

一年的@@@@结束通常是回顾和@@反思的@@时候@@。在@@TechInsights 2021年底发布的@@@@功率半导体@@@@188金宝搏@@ 中@@，我们总结@@了@@@@SiC MOSFET设计@@的@@一些最新发展@@[1]。

尽管人们对宽带隙@@(WBG)功率半导体@@器件感到@@兴奋@@，但硅基@@绝缘栅双极晶体管@@@@(IGBTs)在@@今天比以往任何时候都更加重要@@。在@@我们@@10月份发布的@@@@电动汽车电力电子@@报告@@@@[2]中@@，TechInsights预测@@，xEV轻型汽车动力总成的@@产量将从@@@@2020年的@@@@910万@@增长到@@@@2026年的@@@@4310万@@，这使得其复合年增长率@@(CAGR)达到@@@@25%。SiC MOSFET目前预计占市场的@@约@@26%，到@@2029年预计将占市场份额的@@@@50%。

迄今为止@@，英飞凌已经发布了@@七代@@IGBT技术@@。在@@过去的@@二十年里@@，TechInsights已经分析并分类了@@这些器件的@@所有主要创新@@，那我们来回顾一下我们所看到@@的@@进展@@。

早前@@，英飞凌发布了@@其@@“电动传动系统@@(EDT2)”系列@@的@@更多部件@@。虽然不是新一代@@，但它是最新@@IGBT7技术@@的@@汽车迭代@@。它们已经在@@市场上广受接纳@@。英飞凌于去年宣布@@，中@@国领先的@@逆变器供应商英博尔率先在@@其产品中@@采用@@EDT2 IGBT系列@@[3]。

我们已经从@@这个系列@@中@@看到@@了@@@@IGBT的@@两种变体@@：

  • 一款分立产品@@(AIKQ120N75CP2XKSA1)，适用于从@@牵引变流器到@@@@DC-link放电开关的@@一系列@@汽车应用@@。

    • - 具有@@750 V VCE, VCE(SAT)= 1.3 V(典型@@@ 25°C, VGS = 15 V)，并与@@Si基@@PiN二极管共封装@@，以提供反向传导性能@@。

  • FF300R08W2P2_B11A模块针对牵引逆变器@@

    • - 具有@@四个@@750 V VCE, VCE(SAT) = 1.0 V(典型@@@ 25°C, VGS = 15 V) EDT2系列@@IGBTs。在@@半桥配置中@@@@，四个基@@于@@Si的@@PiN二极管提供@@300 A的@@模块额定电流@@。
    这两种产品的@@详细分析都可以在@@@@TechInsights的@@分析@@师@@dropbox的@@power essentials订阅中@@看到@@@@。

    表@@1记录了@@我们多年来@@分析的@@各种英飞凌@@IGBTs，以及它们的@@一些显著特征@@，一直追溯到@@第一代@@的@@原始版本@@。

    表@@1: TechInsights对英飞凌@@IGBTs的@@分析@@、报告@@参考和@@值得注意的@@创新@@

    关于@@IGBT
    多年来@@，关于@@谁@@“发明@@”了@@IGBT一直存在@@@@一些争议@@，我们不会在@@这里深入探讨@@。最广泛的@@共识是@@Jayant Baliga教授@@(他仍然在@@该领域非常活跃@@，现在@@是北卡罗莱纳州立大学功率半导体@@研究中@@心的@@主任@@)。20世纪@@80年代初@@，他在@@通用电气公司广泛从@@事@@IGBT技术@@的@@研究和@@开发@@。

    从@@结构上讲@@，IGBT只是一个功率垂直扩散@@(VD-MOSFET)，底部有一个@@P-type集电极@@而并不是一个@@N+漏极触点@@@@，使其成为一个双极器件@@。尽管有人说这是对其功能的@@过度简化@@。

    IGBT可以用几种方式进行解释和@@建模@@；我的@@偏好是作为一个@@MOSFET驱动的@@双极晶体管@@(BJT)。将双极晶体管的@@功率能力与@@MOSFET的@@简单驱动需求和@@低关闭状态@@（low off-state）功耗相结合@@。在@@正向传导过程中@@@@，电子@@从@@顶部@@MOSFET“注入@@”到@@漂移区@@，空穴从@@底部@@P+集电极@@“注入@@”，如图@@@@1所示@@。

    图@@1：IGBT的@@基@@本结构@@，包括@@MOSFET和@@BJT188足彩外围@@app

    这个结构中@@有许多复杂的@@微妙之处@@，这里无法一一介绍@@。例如@@，还存在@@@@由@@N+触点@@/P type基@@极@@/ N-type漂移形成的@@寄生双极晶体管以及寄生晶闸管@@(添加底部@@P+集电极@@触点@@@@)。关于@@这些错综复杂的@@问题@@，有好几本教材都是@@Baliga教授@@自己写的@@@@![4]

    与功率@@MOSFET相比@@，IGBT具有@@几个优点@@。主要是前面提到@@的@@双极作用@@，它们是少数载流子器件@@，这意味着电子@@和@@空穴都在@@载流子输运中@@活跃@@。这有点违反常理@@，人们可能会想象这些载流子都在@@漂移区域内重新组合@@，相互抵消@@。

    这并没有错@@，但是有一个被称为载流子寿命的@@特性@@，在@@此期间重组需要发生@@。假设这足够高@@，电子@@和@@空穴共存足够的@@时间在@@漂移区域@@，以创建一个@@“电子@@-空穴等离子体@@”，有效地降低该区域的@@电阻到@@一个显着低于功率@@MOSFET的@@水平@@，反过来降低器件电阻和@@提高@@其实际电压能力@@。

    也有一些缺点需要考虑@@。

  • 当栅极关闭且@@VCE正向偏置时@@，IGBT具有@@正向阻塞能力@@。然而@@，由于在@@@@P+集电极@@/ N-type漂移区存在@@@@有效的@@二极管@@，因此@@既没有反向阻塞也没有反向传导@@。因此@@，有必要在@@反并行配置@@(也称为快速恢复二极管@@(FReD))中@@共同封装额外的@@自由旋转二极管@@(FWD)。
  • 该背面集电极@@二极管提供@@了@@一个@@~0.7 V的@@器件导通基@@础的@@物理结构@@。也就是说@@，再多的@@优化也无法克服这一点@@。这也是我们不从@@导通电阻@@(RDS(ON)),的@@角度讨论@@IGBTs的@@原因@@，而是使用饱和@@电压@@(VCE(SAT))作为性能指标@@。
  • 电子@@空穴等离子体@@的@@存在@@@@从@@根本上改善了@@器件的@@传导性能@@，但对开关有负面影响@@，存在@@@@“尾电流@@”(与载流子重组相关的@@关断时间的@@延长@@)。

    • 因此@@，IGBTs在@@中@@功率@@/中@@频应用中@@找到@@了@@一个利基@@市场@@，占据了@@包括@@汽车牵引市场在@@内的@@关键领域@@。图@@2显示了@@根据功率水平和@@频率工作的@@一些关键电力电子@@应用空间@@@@，以及最合适的@@技术@@@@。请注意@@Si MOSFETs, IGBTS, SiC和@@GaN在@@汽车领域的@@重叠@@，每个制造商都希望在@@这个关键的@@增长市场中@@分得一杯羹@@。

    图@@2 a)按功率@@/频率划分的@@电力电子@@应用@@ b)最适合的@@技术@@@@

    总结@@
    希望这篇@@188金宝搏@@ 能够说明@@IGBTs不仅在@@固态电力电子@@解决方案的@@发展中@@发挥了@@重要作用@@，而且将在@@未来十年甚至更长时间内继续发挥作用@@。

    请务必持续关注@@TechInsights发布的@@@@Part 2，我们将介绍@@IGBT技术@@的@@早期发展@@，从@@punch-through (PT)到@@第一代@@non-punch-through (NPT)设计@@。TechInsights将讨论各自的@@优点以及我们在@@分析过程中@@发现的@@一些深入洞察@@。

    References:

    [1] 188金宝搏@@ - Reviewing Approaches to SiC MOSFET Cell Design: https://library.techinsights.com/reverse-engineering/blog-viewer/62936#n...

    [2]报告@@- 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

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