IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),,絕緣柵雙極型晶體管,,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn),。GTR飽和壓降低,,載流密度大,,但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小,,開關(guān)速度快,,但導(dǎo)通壓降大,載流密度小,。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn),,驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低,。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器,、開關(guān)電源,、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域,。
據(jù)博思數(shù)據(jù)發(fā)布的《2016-2022年中國(guó)IGBT功率模塊市場(chǎng)分析與投資前景研究報(bào)告》:2020年功率半導(dǎo)體全球市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)231億美元,。2014年-2020年,平均增長(zhǎng)率為6.4%,。到2020年,,市場(chǎng)規(guī)模有望是2014年的1.5倍。2020年以來,,工業(yè)和汽車方面的需求將帶動(dòng)市場(chǎng)發(fā)展,,到2025年,功率半導(dǎo)體全球市場(chǎng)規(guī)模達(dá)339億1000萬美元,,2020 年-2025年間,,年平均增長(zhǎng)率將達(dá)到8.0%。
工業(yè)領(lǐng)域,,新能源,、UPS、鐵路方面的功率半導(dǎo)體需求增加,。日本,、美國(guó)的光伏發(fā)電需求旺盛,風(fēng)力發(fā)電歐洲的需求較大,。此外,,工業(yè)用機(jī)器人、半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備等業(yè)務(wù)發(fā)展形勢(shì)較好,,Servo電動(dòng)機(jī)用IPM增加,。鐵路方面,除中國(guó)市場(chǎng)以外,,東南亞,、印度、南美方面的投資較多,。
在新能源,、節(jié)能環(huán)保“十二五”規(guī)劃等一系列國(guó)家政策措施的支持下,,國(guó)內(nèi)IGBT的發(fā)展獲得巨大的推動(dòng)力,,市場(chǎng)持續(xù)快速增長(zhǎng)。2015年,,國(guó)內(nèi)IGBT市場(chǎng)規(guī)模達(dá)94.8億元,。
2020年以后,東南亞和中南美地區(qū)的電力設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施投資有望變得活躍,。因此,,耐壓3.3kv以上的IGBT模塊的出貨量有望增加。
IGBT技術(shù)不斷發(fā)展,,其結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)也發(fā)生了較大的變化,。IGBT的結(jié)構(gòu)發(fā)展經(jīng)歷了穿透型(PT)、非穿透型(NPT)以及場(chǎng)終止型(TFS),。隨著結(jié)構(gòu)的不斷升級(jí),,其產(chǎn)品技術(shù)特性也得到了不斷發(fā)展,從在穿透型的IGBT升級(jí)到具有更快關(guān)斷速度,、開關(guān)損耗更低以及更加耐用的非穿透型,,再到芯片更薄、導(dǎo)通損耗更低以及開關(guān)損耗更低的場(chǎng)終止型,。同時(shí),,功率器件模塊化技術(shù)也在不斷提升,伴隨著以MOS結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體器件技術(shù)的成熟,,設(shè)計(jì)者將功率器件芯片與控制電路,、驅(qū)動(dòng)電路、過壓,、過流,、過熱和欠壓保護(hù)以及自診斷電路組合起來,密封裝在同一絕緣外殼內(nèi),,這種將芯片與輔助電路組裝在一起的電路結(jié)構(gòu)叫做智能化功率半導(dǎo)體模塊(IPM),,是現(xiàn)階段的發(fā)展熱點(diǎn)。
而在未來隨著新技術(shù),、新材料以及新工藝的不斷涌現(xiàn),,CAD設(shè)計(jì)、離子注入,、MOCVD,、多層金屬化、納米級(jí)光刻等先進(jìn)工藝技術(shù)應(yīng)用到功率器件中,,IGBT設(shè)計(jì)技術(shù)將不斷得到推動(dòng)和提升,。通過與這些技術(shù)緊密結(jié)合,IGBT的集成化趨勢(shì)更加明顯,,將逐步向“IGBT子系統(tǒng)”方向發(fā)展,。另外,新材料的應(yīng)用也將不斷成熟,,摻As緩沖層IGBT以及SiC IGBT將成為未來IGBT的重要發(fā)展發(fā)向,,以促使產(chǎn)品更加適應(yīng)高頻,、高速、高壓以及高功率的應(yīng)用,。
IGBT技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是:大電流,、高電壓、低損耗,、高頻率,、功能集成化和高可靠性。傳動(dòng)領(lǐng)域(如電力牽引機(jī)車)和智能電網(wǎng)領(lǐng)域都需要大功率IGBT的應(yīng)用,,英飛凌,、東芝、三菱,、西門子等公司高壓IGBT器件已可做到6.5 kV,,ARPA.E(先進(jìn)能源研究計(jì)劃署)更是推出了SiC.IGBT模塊,電壓能達(dá)到15 kV,。
一段時(shí)間以來,,IGBT的工作頻率限制在50 kHz以下,而許多開關(guān)電源需用到更高的頻率,,而高頻領(lǐng)域基本是功率MOSFET的天下,。英飛凌生產(chǎn)的High Speed 3 1.2 kV IGBT的開關(guān)工作頻率可達(dá)60 kHz。美國(guó)IR公司(WARP系列)和APT公司(GT系列)600 V IGBT器件,,其硬開關(guān)工作頻率可達(dá)150 kHz,,諧振逆變軟開關(guān)電路可達(dá)300 kHz。其開關(guān)特性已接近功率MOSFET.而電流密度則為MOSFET的2.5倍,,即相同電流時(shí)其硅片面積大大減小,,因此成本有所降低。
IGBT芯片發(fā)展趨勢(shì)是:薄片工藝.主要是減少熱阻,,減小襯底電阻從而減小通態(tài)損耗 ,、管芯,主要是提高器件電流密度,,十余年來管芯面積減少了2/3,;大硅片,硅片由5英寸變?yōu)?2英寸,。面積增加了5.76倍.折算后每顆芯粒的成本可大為降低,;新材料,主要以SiC和GaN寬禁帶半導(dǎo)體材料為代表,。
IGBT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一直在尋找成本和性能的平衡點(diǎn),。目標(biāo)是尋找最合適的產(chǎn)品及最低的成本,而對(duì)于最合適產(chǎn)品的定義是.特性滿足客戶需求且特性針對(duì)應(yīng)用裕量足夠。對(duì)于成本控制要求嚴(yán)格的市場(chǎng),,不斷探索降低成本的關(guān)鍵.涉及代工廠選址及一些成本控制,。而對(duì)于價(jià)格不是很敏感的市場(chǎng),則是不斷優(yōu)化器件特性,,發(fā)展最前沿技術(shù),,重心放在產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性上。
節(jié)能減排,,低碳經(jīng)濟(jì)勢(shì)必推動(dòng)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的繁榮,而IGBT是功率半導(dǎo)體的技術(shù)前沿,。未來幾年全球IGBT市場(chǎng)規(guī)模將成穩(wěn)步上升的趨勢(shì),,預(yù)計(jì)到2022年全球IGBT市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到80.2億美元,電動(dòng)汽車與新能源產(chǎn)業(yè)將是全球IGBT產(chǎn)品需求增長(zhǎng)的重要推動(dòng)力,。