IGBT技术发展趋势

发布时间：2022-11-21 10:10
作者：Ameya360
来源：网络
阅读量：2308

IGBT技术发展趋势　　

      IGBT被称为电力电子行业的“CPU”

　　IGBT具有优秀的综合性能。IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管，它由绝缘栅型场效应管和双极型三极管两个部分组成，其兼具MOSFET输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快和 BJT通态电流大、导通压降低、损耗小等优点，是功率半导体未来主要的发展方向之一。

　　凭借优异的性能，IGBT拥有广泛的下游应用

　　IGBT凭借着高功率密度、驱动电路简单以及宽安全工作区等特点，成为了中大功率、中低频率电力电子设备的首选。在工作频率低于105Hz的范围内，硅基IGBT是首选的功率半导体器件，其功率范围涵盖几千瓦至十兆瓦，典型的应用领域包括工业控制（变频器、逆变焊机、不间断电源等）；新能源汽车（主电驱、OBC、空调、转向等）；新能源发电（光伏逆变器、风电变流器）；变频白电（IPM）；轨道交通（牵引变流器）；智能电网等。

　　IGBT技术发展趋势

　　从正面栅极结构上来看，其结构经历了从平面栅向沟槽栅以及最新的微沟槽栅的演化，目前市场主流的IGBT芯片以沟槽栅为主。栅极结构从平面向沟槽的发展有利于提高电流密度、降低导通 压降、降低元胞尺并降低制造成本。

　　从体结构上来看，其经历了从穿通型（PT，Punch Through）到非穿通型（NPT，Non-Punch Through）再到场截止型（FS，Field Stop）三代的演化。

　　通过不断的技术迭代，IGBT芯片各项性能指标不断优化。从最早的平面穿通型（PT）迭代至 2018年的精细沟槽栅场截止型，IGBT芯片的各项技术指标如芯片面积、工艺线宽、导通压降、 关断时间和功率损耗等均得到了不断优化。


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第7代IGBT正开始在储能领域大放异彩
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　　在储能技术高速发展的今天，更强的发电与蓄电能力，更高的能源管理效率，更稳定的输送能力都是相关企业追求的方向，这就需要功能更强的IGBT来满足当前储能技术的高需求，而第七代IGBT的出现，正好契合当前储能的发展需要。　　第7代IGBT正加速发展　　IGBT的发展可以追溯至20世纪80年代，最初的IGBT采用了平面穿通(PT)，这种IGBT通过重掺杂的P+衬底开始，但是存在负温度系数、通态压降一致性差等问题，不利于并联使用。尽管如此，它开启了IGBT在电力电子领域的应用。       随着时间的推移，IGBT经历了多次迭代，从非穿通( NPT)结构到场截止( FS)结构的转变，栅极结构也从平面型转向沟槽型(Trench)。这些改进逐步提升了IGBT的性能，包括降低导通压降、缩短开关时间、提高断态电压等，这也是IGBT从第二代到第五代的变化。       到了第六代，IGBT进一步优化了沟槽结构和场截止技术，显著提高了电流密度和能效，降低了开关损耗，同时在高温工作表现上有了显著提升。       而在2018年前后，市场中开始推出的第七代IGBT，引入了微沟槽栅+场截止(Micro Pattern Trench)技术，这是IGBT技术的一次重大飞跃。第七代IGBT的特点包括更高的沟道密度、优化的元胞设计、更低的寄生电容，以及在极端开关速度(如5kV/μs)下仍能保持最佳性能。这使得IGBT7在降低静态损耗、提高开关速度、增强高温工作能力等方面达到新的高度，特别适合于高性能的电动汽车、可再生能源系统和高压直流输电等应用。       其中微沟槽技术能够改善载流子传输特性，从而在不牺牲开关速度的情况下降低静态损耗。这意味着在相同工作条件下，第七代IGBT能更高效地转换电能，减少发热。并且相比第六代IGBT，第七代的静态损耗降低了约30%，这对于提升系统能效和减少冷却需求至关重要。       此外，有数据显示，在相同封装体积下，第七代IGBT的电流输出能力增加了50%以上，这得益于更高的电流密度，使得设备小型化成为可能，或者在不改变体积的前提下提高系统的功率输出。       并且，第七代IGBT也满足了电子行业对更高效率、更小尺寸、更高功率密度和更低损耗的需求。第七代IGBT技术通过实现面积减小20%、芯片厚度从120微米减少到80微米、导通压降从1.7V降到1.4V，大幅提升了IGBT的性价比。       举个例子，在储能系统中使用第七代IGBT，可以设计出发电和蓄电能力更强的系统，提高能源管理效率，增强储存能力，从而更平稳地将太阳能电力并网到电网中。此外，通过第七代IGBT设计的模块还支持将多余的电力储存在储能系统中，有效缓解太阳能发电的间歇性问题，确保供电的可靠性和稳定性。　　七代IGBT赋能储能产业　　由于七代IGBT的优秀表现，已经有越来越多的企业将这款产品用在储能领域。比如近期上能电气采用了英飞凌IGBT7 EconoDUAL™3实现单机2MW储能变流器PCS，这是使用了英飞凌最新的EconoDUAL 3封装的750A 1200V模块，型号为FF750R12ME7_B11。       而EH-2000-HA-UD采用的FF750R12ME7，这是一款1200V/750A的IGBT模块，芯片采用的是英飞凌最新一代IGBT7技术。与英飞凌上一代IGBT4技术不同，IGBT7采用更加精细化的MPT微沟槽栅技术，沟道密度更高，芯片厚度更薄，元胞结构及间距也经过精心设计，并且优化了寄生电容参数，从而实现了最佳开关性能。       此外，在近期，安森美也发布了第七代1200V QDual3 IGBT功率模块。与其他同类产品相比，该模块的功率密度更高，且提供高10%的输出功率。       据安森美介绍，该800A QDual3模块基于新的场截止第七代(FS7)IGBT技术，应用于150KW的逆变器中时，QDual3模块的损耗比同类最接近的竞品少200W，从而缩减散热器尺寸，适合用于太阳能发电站中央逆变器、储能系统、商用农业车辆和工业电机驱动器等大功率变流器。       国内也有许多企业相继推出了七代IGBT，如斯达半导体，在2022年便推出了基于第七代微沟槽技术的新一代车规级IGBT芯片，产品型号包括650V/750V/1200V IGBT芯片，采用第七代微沟槽Trench Field Stop技术，可实现面积减小20%、芯片厚度从120微米减少到80微米、导通压降从1.7V降到1.4V。       此外如贝茵凯也在2023年末研发出了全系列第七代IGBT芯片，并成功实现大批量生产，成功突破国产化领域的技术壁垒。这款第七代IGBT产品在性能方面显著优于同类中采用传统制程的IGBT芯片，有效解决了导通损耗与开关损耗难以平衡的问题，具备低导通损耗与低开关损耗的双重优势，适用频率范围也得以拓宽，最高适用频率从15kHz-20kHz提升至30kHz-40kHz。       目前该产品已经通过多家行业领军企业的严格测试与认证，并已在电动汽车、风力发电、光伏逆变器及高端化学储能等领域实现小规模供应。       韦尔股份近期也新获得了一项实用新型专利授权，专利名为“一种新型沟槽IGBT结构”，该专利提供了一种新型沟槽IGBT结构，该结构通过减少栅极接触孔的方式，将对应的栅极沟槽中的多晶硅转变成第一发射极沟槽的多晶硅，从而减小栅极电容，使器件开通速度变快，降低开通损耗。而新型沟槽正是七代IGBT的显著特点。       此外如新洁能、振华科技、安建科技等都已经在第七代IGBT中有所建树，为中国乃至全球的新能源汽车、光伏储能、工业控制等领域提供了先进的功率半导体解决方案。　　小结　　在国际上，安森美等欧美日企业凭借其深厚的技术积累和资金实力，在第七代IGBT技术开发及商业化方面走在前列。而中国IGBT企业如斯达半导、新洁能等也在加速追赶，成功研发并推出了第七代IGBT产品，标志着国内企业在IGBT核心技术上的重大突破。尤其储能产业的快速发展，也为七代IGBT提供了巨大的应用市场，反过来七代IGBT也加速了储能市场的发展。
2024-08-05 09:24 阅读量：581
如何选择IGBT？
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　　碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等宽禁带半导体的应用日益增多，然而，在这些新技术出现之前，许多高功率应用都是使用高效、可靠的绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)，事实上，许多此类应用仍然适合继续使用 IGBT。在本文中，我们介绍 IGBT 器件的结构和运行，并列举多种不同 IGBT 应用的电路拓扑结构，然后探讨这种多用途可靠技术的新兴拓扑结构。　　IGBT 器件结构简而言之，IGBT 是由 4 个交替层 (P-N-P-N) 组成的功率半导体晶体管，通过施加于金属氧化物半导体 (MOS) 栅极的电压进行控制。这一基本结构经过逐渐调整和优化后，可降低开关损耗，且器件厚度更薄。近期推出的 IGBT 将沟槽栅与场截止结构相结合，旨在抑制固有的寄生 NPN 行为。该方法有助于降低器件的饱和电压和导通电阻，从而提升整体功率密度。　　应用与拓扑结构如今，IGBT 通常用于特定应用的拓扑结构，下面列举了其中的几种。　　焊接机如今许多焊接机使用逆变器，而非传统的焊接变压器，因为直流输出电流可以提高焊接过程的控制精度。使用逆变器还有其他优势，比如直流电流比交流电流安全，而且采用逆变器的焊接机具有更高的功率密度，因此重量更轻。功率级(单相或三相)将交流输入电压转换为逆变器的直流母线电压。输出电压通常为 30 V，但一旦启动焊弧，在开路负载操作几乎低至 0 V 的情况下(短路条件)，输出电压可能高达 60 V DC。　　　焊接逆变器中常用的拓扑结构包括全桥、半桥和双管正激，而恒定电流是最常用的控制方案。占空比因负载电平和输出电压而异。全桥和半桥拓扑结构的 IGBT 开关频率通常在 20 至 50 kHz 之间。　　电磁炉电磁炉的原理是，当高磁导率材质的锅靠近线圈时，通过励磁线圈推动(或耦合)锅内的电流循环。其运行方式与变压器大致相同，其中线圈负责初级侧，电磁炉底部负责次级侧。产生的大部分热量来源于锅底层形成的涡电流循环。这些系统的能量传输效率约为 90%，而顶部光滑的无感电器装置的能效仅为 71%，相比之下，(对于同量热传递)前者可节省大约 20% 的能量。逆变器将电流导入铜线圈，从而产生电磁场，电磁场穿透锅底，形成电流。产生的热量遵循焦耳效应公式，即锅的电阻乘以感应电流的平方。　　　对于电磁炉，比较重要的要求包括：　　高频开关　　功率因数接近一　　宽负载范围　　感应加热应用的输出功率控制通常基于可变频率方案。这是一种根据负载或线路频率变化来应用的基本方法。然而，该方法存在一个主要缺点：若要在宽范围内控制输出功率，频率需要大幅变化。　　感应加热最常用的拓扑结构基于谐振回路。谐振转换器的主要优势是高开关频率范围，同时能效不会降低。谐振转换器采用零电流开关 (ZCS) 或零电压开关 (ZVS) 等控制技术来降低功率损耗。谐振半桥 (RHB) 转换器和准谐振 (QR) 逆变器是备受欢迎的拓扑结构。RHB 结构的优势包括负载工作范围大，并且能够提供超高功率。　　QR 转换器的主要优势是成本较低，因此非常适合低至中功率范围(峰值功率高达 2 kW)、工作频率介于 20 至 35 kHz 之间的应用。　　电机驱动半桥转换器 (HB) 是电机驱动应用中一种最常见的拓扑结构，频率介于 2kHz 至 15kHz 之间。HB 输出电压取决于开关状态和电流极性。　　　考虑到电感负载，电流随后会增加。如果负载汲取正电流 (Ig>0)，它将流经 T1，为负载提供能量 (Vg)。相反，如果负载电流 Ig 为负，电流经由 D 流回，将能量返回至直流电源。同样，如果 T4 开通(且 T1 关闭)，会有 −Vbus/2 的电压施加于负载，且电流会减小。如果 Ig 为正，电流流经 D4，将能量返回至母线电源。　　适合IGBT应用的多电压等级拓扑结构快速开关给 HB 拓扑结构带来的局限性包括：　　只有两个输出电压等级　　无源和有源元件受到应力　　高开关损耗　　栅极驱动难度加大　　纹波电流升高　　EMI变高　　电压处理(无法与高电压母线结合使用)　　器件串联增加了实施工作的复杂性　　难以达到热平衡　　高滤波要求　　为了摆脱这些局限性，在不间断电源 (UPS) 和太阳能逆变器等应用中，采用新的多电压等级拓扑结构。常见结构包括单极性开关 I 型和 T 型转换器，它们能够在较高的母线电压下工作。随着可用输出状态增多，滤波器元件之间的电压相应减小，因此滤波损耗也更低，元件更小。开关损耗有所降低，而导通损耗则小幅增加(适合 16kHz - 40kHz 的较高频率，可达到约 98% 的高能效)。　　IGBT 的未来尽管 IGBT 已经问世很多年，但该技术仍是许多高电压和电流应用的理想之选。IGBT 不仅越来越多地应用于传统设计，还应用于新设计，因为新推出的器件在不断地推动 Vcesat 降低至 1V，并通过新型结构来提高电流密度和开关损耗。若要在使用 IGBT 的过程中获得最大效益，一个关键因素是先了解应用要求，然后选择合适的电路拓扑结构加以实施。
2024-06-25 11:22 阅读量：813
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