絕緣柵雙極晶體管(IGBTs)簡史-電子發燒友網

作者： Stephen Russell，來源： TechInsights微信公眾號

一年的結束通常是回顧和反思的時候。在TechInsights 2021年底發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新，那我們來回顧一下我們所看到的進展。

早前，英飛凌發布了其“電動傳動系統(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新

關于IGBT
多年來，關于誰“發明”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。

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（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，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生。假設這足夠高，電子和空穴共存足夠的時間在漂移區域，以創建一個“電子-空穴等離子體”，有效地降低該區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。