绝缘栅双极晶体管(IGBTs)简史

作者： Stephen Russell，

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博客中，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BJT元件

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

希望这篇博客能够说明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] 博客- 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