傻瓜式科普:IGBT是个啥玩意?

2023-09-15

IGBT器件是能源转换和传输核心,自20 世纪80 年代末开始工业化使用后,广泛应用于高压、大电流、高速等大功率使用场景,并且在消费类电子应用中渐渐兼并BJT、MOSFET使用场景,成为电力电子领域开关器件的主流发展方向。

但是关于IGBT是个啥?很多人还不清楚,尤其是再看到SiC IGBT,SiIGBT的时候,更是一脸的懵逼。今天这篇文章,就用初中生都能看懂的大白话把IBGT给讲清楚!

如果你了,后点个赞再走哟!

什么是IGBT ?

IGBT、MOS与BJT的符号表示

IGBT中文全名为绝缘栅双极晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor,IGBT),它是由双极型三极管(bipolar junction transistor, BJT)和绝缘栅型场效应 管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)组成的功率半导体器件。

这一段虽然都是我国字,但是真的很让人头大……

如果大家实在看不懂没关系,就记住一句话:IGBT是一种组合的晶体管就可以了。

IGBT的结构及等效电路图

IGBT是三端器件(和BJT非常像),分别是:栅极,集电极和发射极。同时具备MOSFET输入阻抗高、开关速度快、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小以及BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点。(这就是组合晶体管的优势所在)

IGBT和MOSET、BJT对比

IGBT是晶体管组合,它的实现形式有很多。它可以在Si衬底上实现,也可以在SiC衬底上实现,也可以在GaN外延上实现,于是就可以得到Si IGBT和SiC IGBT了。当然,IGBT的特性也会随着衬底或外延材料的变化而变化。

啥是衬底?啥是外延?你还傻傻分不清楚吗?可以参考这篇文章:衬底与外延,这俩到底是啥关系?这回帮你捋顺了!

IGBT的工作原理(可以跳过,看不看意义不大,直接看后面的优缺点汇总即可……)

在IGBT使用过程中,可以通过控制其集-射极电压UCE和栅-射极电压UGE的大小,从而实现对IGBT导通/关断/阻断状态的控制。

  1.  当IGBT栅-射极加上加0或负电压时,MOSFET内沟道消失,IGBT呈关断状态。
  2.  当集-射极电压UCE<0时,J3的PN结处于反偏,IGBT呈反向阻断状态。
  3.  当集-射极电压UCE>0时,分两种情况:若栅-射极电压UGE<Uth,沟道不能形成,IGBT呈正向阻断状态;若栅-射极电压UGE>Uth ,栅极沟道形成,IGBT呈导通状态(正常工作)。此时,空穴从P+区注入到N基区进行电导调制,减少N基区电阻RN的值,使IGBT通态压降降低。

IGBT的优缺点总结

如果懒得细看,就只需要知道,IGBT除了贵,几乎没啥毛病即可。

IGBT整体兼顾BJT和MOS管的优点:

  • 高电压和电流
  • 高输入阻抗
  • 驱动电路简单
  • 低导通电阻
  • 高电流密度
  • 控制功率小
  • 开关损耗低
  • 高功率增益
  • 比 BJT 更高的开关速度

但是,也有不容忽视的缺点:

  • 开关速度低于 MOS管
  • **更昂贵
  • 存在晶闸管锁存问题

IGBT的应用与分类

IGBT的功率、频率特性

通过上图,我们可以知道,IGBT非常适用于低频高功率的应用场景。主要应用在变频器的主回路逆变器及一切逆变电路,即dc/ac变换中。例电动汽车、伺服***、UPS、开关电源、斩波电源、无轨电车等。

IGBT就应用场景而言,可分为消费类、工业级和车规级

车规级IGBT相对于工业级IGBT,对诸多耐受指标要求更为严格。也是市场潜力最大的场景!车规IGBT,按照集成程度可分为单模块IGBT、多模块IGBT;根据额定电压可分成低压车轨级IGBT和高压车规级IGBT;根据最大工作温度可分为低温车规级IGBT、高温车规级IGBT;根据最大电流可分为小电流车规级IGBT、大电流车规级IGBT等。

车规级IGBT的分类及描述

当前,IGBT芯片经历了七代的发展,以英飞凌为代表的国际链主企业,已经建立越来越高的技术壁垒。

IGBT芯片的发展历程(以英飞凌为例) IGBT芯片经历的七代发展

IGBT的国内市场

当前,我国已经成为全球最大的IGBT市场(2022年,IGBT市场需求约147.32亿元,同比增长114.72%,吓不吓人),占据了全球超过40%份额。不过车规级IGBT产品国产化率仍然较低,国内自给率不足10%,存在巨大的供需缺口。

我国IGBT芯片行业企业

小结

很多同学有疑问,为什么SiC IGBT这么强,市场上的产品却很少呢?首先,SiC 是肯定可以做IGBT的,而且确实“吊炸天”。市场上SiC IGBT产品之所以少,单纯的只是因为制备成本太高,且性能“过剩”,因此在大多数应用场合都“毫无竞争力”。现在SiC的MOSFET可以做到6500V耐压,而SiC IGBT可以轻松干到10kV数量级!!

废话了那么多,总结为一句就是:IGBT是一种组合晶体管,非常适用于低频大功率电源芯片领域,除了贵,几乎没啥毛病。

所以,少年们,加油吧,努力补上这一半导体细分赛道的国产化短板!


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