【導(dǎo)讀】盡管人們對(duì)寬帶隙(WBG)功率半導(dǎo)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(shí)候都更加重要。在我們10月份發(fā)布的電動(dòng)汽車電力電子報(bào)告[2]中，TechInsights預(yù)測(cè)，xEV輕型汽車動(dòng)力總成的產(chǎn)量將從2020年的910萬增長(zhǎng)到2026年的4310萬，這使得其復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)達(dá)到25%。SiC MOSFET目前預(yù)計(jì)占市場(chǎng)的約26%，到2029年預(yù)計(jì)將占市場(chǎng)份額的50%。
一年的結(jié)束通常是回顧和反思的時(shí)候。在TechInsights 2021年底發(fā)布的功率半導(dǎo)體博客中，我們總結(jié)了SiC MOSFET設(shè)計(jì)的一些最新發(fā)展[1]。
盡管人們對(duì)寬帶隙(WBG)功率半導(dǎo)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(shí)候都更加重要。在我們10月份發(fā)布的電動(dòng)汽車電力電子報(bào)告[2]中，TechInsights預(yù)測(cè)，xEV輕型汽車動(dòng)力總成的產(chǎn)量將從2020年的910萬增長(zhǎng)到2026年的4310萬，這使得其復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)達(dá)到25%。SiC MOSFET目前預(yù)計(jì)占市場(chǎng)的約26%，到2029年預(yù)計(jì)將占市場(chǎng)份額的50%。
迄今為止，英飛凌已經(jīng)發(fā)布了七代IGBT技術(shù)。在過去的二十年里，TechInsights已經(jīng)分析并分類了這些器件的所有主要?jiǎng)?chuàng)新，那我們來回顧一下我們所看到的進(jìn)展。
早前，英飛凌發(fā)布了其“電動(dòng)傳動(dòng)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(shù)的汽車迭代。它們已經(jīng)在市場(chǎng)上廣受接納。英飛凌于去年宣布，中國(guó)領(lǐng)先的逆變器供應(yīng)商英博爾率先在其產(chǎn)品中采用EDT2 IGBT系列[3]。
我們已經(jīng)從這個(gè)系列中看到了IGBT的兩種變體：
●一款分立產(chǎn)品(AIKQ120N75CP2XKSA1)，適用于從牽引變流器到DC-link放電開關(guān)的一系列汽車應(yīng)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(dǎo)性能。
●FF300R08W2P2_B11A模塊針對(duì)牽引逆變器
- 具有四個(gè)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(gè)基于Si的PiN二極管提供300 A的模塊額定電流。
這兩種產(chǎn)品的詳細(xì)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(duì)英飛凌IGBTs的分析、報(bào)告參考和值得注意的創(chuàng)新
關(guān)于IGBT
多年來，關(guān)于誰“發(fā)明”了IGBT一直存在一些爭(zhēng)議，我們不會(huì)在這里深入探討。最廣泛的共識(shí)是Jayant Baliga教授(他仍然在該領(lǐng)域非常活躍，現(xiàn)在是北卡羅萊納州立大學(xué)功率半導(dǎo)體研究中心的主任)。20世紀(jì)80年代初，他在通用電氣公司廣泛從事IGBT技術(shù)的研究和開發(fā)。
從結(jié)構(gòu)上講，IGBT只是一個(gè)功率垂直擴(kuò)散(VD-MOSFET)，底部有一個(gè)P-type集電極而并不是一個(gè)N+漏極觸點(diǎn)，使其成為一個(gè)雙極器件。盡管有人說這是對(duì)其功能的過度簡(jiǎn)化。
IGBT可以用幾種方式進(jìn)行解釋和建模；我的偏好是作為一個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)的雙極晶體管(BJT)。將雙極晶體管的功率能力與MOSFET的簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)需求和低關(guān)閉狀態(tài)（low off-state）功耗相結(jié)合。在正向傳導(dǎo)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(jié)構(gòu)，包括MOSFET和BJT元件
這個(gè)結(jié)構(gòu)中有許多復(fù)雜的微妙之處，這里無法一一介紹。例如，還存在由N+觸點(diǎn)/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(diǎn))。關(guān)于這些錯(cuò)綜復(fù)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(gè)優(yōu)點(diǎn)。主要是前面提到的雙極作用，它們是少數(shù)載流子器件，這意味著電子和空穴都在載流子輸運(yùn)中活躍。這有點(diǎn)違反常理，人們可能會(huì)想象這些載流子都在漂移區(qū)域內(nèi)重新組合，相互抵消。
這并沒有錯(cuò)，但是有一個(gè)被稱為載流子壽命的特性，在此期間重組需要發(fā)生。假設(shè)這足夠高，電子和空穴共存足夠的時(shí)間在漂移區(qū)域，以創(chuàng)建一個(gè)“電子-空穴等離子體”，有效地降低該區(qū)域的電阻到一個(gè)顯著低于功率MOSFET的水平，反過來降低器件電阻和提高其實(shí)際電壓能力。
也有一些缺點(diǎn)需要考慮。
●當(dāng)柵極關(guān)閉且VCE正向偏置時(shí)，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(dǎo)。因此，有必要在反并行配置(也稱為快速恢復(fù)二極管(FReD))中共同封裝額外的自由旋轉(zhuǎn)二極管(FWD)。
●該背面集電極二極管提供了一個(gè)~0.7 V的器件導(dǎo)通基礎(chǔ)的物理結(jié)構(gòu)。也就是說，再多的優(yōu)化也無法克服這一點(diǎn)。這也是我們不從導(dǎo)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(biāo)。
●電子空穴等離子體的存在從根本上改善了器件的傳導(dǎo)性能，但對(duì)開關(guān)有負(fù)面影響，存在“尾電流”(與載流子重組相關(guān)的關(guān)斷時(shí)間的延長(zhǎng))。
因此，IGBTs在中功率/中頻應(yīng)用中找到了一個(gè)利基市場(chǎng)，占據(jù)了包括汽車牽引市場(chǎng)在內(nèi)的關(guān)鍵領(lǐng)域。圖2顯示了根據(jù)功率水平和頻率工作的一些關(guān)鍵電力電子應(yīng)用空間，以及最合適的技術(shù)。請(qǐng)注意Si MOSFETs, IGBTS, SiC和GaN在汽車領(lǐng)域的重疊，每個(gè)制造商都希望在這個(gè)關(guān)鍵的增長(zhǎng)市場(chǎng)中分得一杯羹。
圖2 a)按功率/頻率劃分的電力電子應(yīng)用 b)最適合的技術(shù)
總結(jié)
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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)繼續(xù)發(fā)揮作用。
請(qǐng)務(wù)必持續(xù)關(guān)注TechInsights發(fā)布的Part 2，我們將介紹IGBT技術(shù)的早期發(fā)展，從punch-through (PT)到第一代non-punch-through (NPT)設(shè)計(jì)。TechInsights將討論各自的優(yōu)點(diǎn)以及我們?cè)诜治鲞^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(bào)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(hào)）
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