中能微電子
IGBT系列
中能微電子是由國內資深研發(fā)團隊、銷售精英團隊發(fā)起成立的、以高性能功率器件研發(fā)與銷售為主的技術驅動型半導體芯片設計企業(yè)。公司總部位于廈門海滄區(qū)半導體設計產業(yè)園，屬于國家重點扶持的高新企業(yè)。本文將為大家介紹IGBT系列產品。
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關于IGBT的介紹
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）又稱為絕緣柵雙極型晶體管。是由BJT(雙極型晶體管) 和MOS(金屬氧化物半導體場效應管) 組成的復合全控型-電壓驅動式-功率半導體器件，其具有自關斷的特征。簡單來講，它是一個非通即斷的開關裝置，IGBT沒有放大電壓的功能，導通時可以看做導線，斷開時可以看做開路。IGBT融合了BJT和MOSFET這兩種器件的優(yōu)點，IGBT既有MOSFET的開關速度高、輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關損耗小的優(yōu)點，又有BJT導通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小的優(yōu)點，是電力電子領域較為理想的開關器件。
IGBT模塊是由IGBT與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品，具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點。
01
IGBT 的工作原理和內部結構
IGBT剖面圖、等效電路及符號
IGBT的工作原理如上圖所示，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅動正電壓，則MOSFET導通,這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V時，則MOSFET截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。
IGBT內部有三個端子，分別為集電極、發(fā)射極和柵極，端子上都附有金屬層。IGBT結構是一個四層半導體器件。四層器件是通過組合PNP和NPN晶體管來實現(xiàn)的，它們構成了PNPN排列。
IGBT內部結構圖
IGBT是由MOSFET和GTR技術結合而成的復合型開關器件，是通過在功率MOSFET的漏極上追加p+層而構成的，性能上也是結合了MOSFET和雙極型功率晶體管的優(yōu)點。N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極(即發(fā)射極E)；P+區(qū)稱為漏區(qū)，器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極(即門極G)。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(qū)(包括P+和P-區(qū))(溝道在該區(qū)域形成)稱為亞溝道區(qū)(Subchannel region)。而在漏區(qū)另一側的P+區(qū)稱為漏注入區(qū)(Drain injector)，它是IGBT特有的功能區(qū)，向漏極注入空穴，進行電導調制，以降低器件的通態(tài)壓降。附于漏注入區(qū)上的電極稱為漏極(即集電極C)。
02
IGBT的分類
一、IGBT在應用層面通常根據(jù)電壓等級劃分
〡、低壓IGBT：
指電壓等級在1000V以內的IGBT器件，例如常見的650V應用于新能源汽車、家電、工業(yè)變頻等領域。
〢、中壓IGBT：
指電壓等級3300V及以上的IGBT器件，比如3300V和6500V應用于高鐵、 動車、智能電網，以及工業(yè)電機等領域。
二、在產品層面通常根據(jù)封裝方式分類
〡、IGBT單管：
封裝規(guī)模較小，一般指封裝單顆IGBT芯片，電流通常在50A以下，適用于消費、工業(yè)家電領域。
〢、IGBT模塊：
IGBT最常見的形式，是將多個IGBT芯片集成封裝在一起，功率更大、散熱能力更強，適用于高壓大功率平臺，如新能源車、光伏、高鐵等。
〣、功率集成（IPM）：
指把IGBT模塊加上散熱器、電容等外圍組件，組成一個功能較為完整和復雜的智能功率模塊。
三、從結構上講，IGBT主要有三個發(fā)展方向：
〡、IGBT縱向結構：
帶緩沖層的PT型、非透明集電區(qū)NPT型、透明集電區(qū)NPT型和FS電場截止型；
〢、IGBT柵極結構：
平面柵結構、Trench溝槽型結構；
〣、硅片加工工藝：
外延生長技術、區(qū)熔硅單晶；
IGBT的主要應用領域
IGBT作為工業(yè)控制及自動化領域的核心元器件，能夠根據(jù)信號指令來調節(jié)電路中的電壓、電流、頻率、相位等，以實現(xiàn)精準調控的目的，被稱為現(xiàn)代電力電子行業(yè)里的“CPU”，廣泛應用于電機節(jié)能、軌道交通、智能電網、航空航天、家用電器、汽車電子、新能源發(fā)電、新能源汽車等眾多領域。
01
新能源汽車
IGBT模塊在電動汽車中發(fā)揮著至關重要的作用，是電動汽車及充電樁等設備的核心技術部件。針對車規(guī)級IGBT模塊的特殊要求，IGBT技術正朝著小型化、低功耗、耐高溫、高安全和智能化的方向發(fā)展。IGBT模塊占電動汽車成本將近10％，占充電樁成本約20％。它主要應用于電動汽車領域中以下幾個方面：
電動控制系統(tǒng)大功率直流／交流（DC／AC）逆變后驅動汽車電機。
車載空調控制系統(tǒng)小功率直流／交流（DC／AC）逆變，使用電流較小的IGBT和FRD。
智能充電樁及逆變器中IGBT模塊被作為開關元件使用。
02
智慧電網
IGBT廣泛應用于智能電網的發(fā)電端、輸電端、變電端及用電端：
從發(fā)電端來看，風力發(fā)電、光伏發(fā)電中的整流器和逆變器都需要使用IGBT模塊。
從輸電端來看，特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術需要大量使用IGBT等功率器件。
從變電端來看，IGBT是電力電子變壓器（PET）的關鍵器件。
從用電端來看，白電、微波爐、電磁爐、驅動電源等都對IGBT有大量的需求。
03
軌道交通
IGBT器件已成為軌道交通車輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。交流傳動技術是現(xiàn)代軌道交通的核心技術之一，在交流傳動系統(tǒng)中牽引變流器是關鍵部件，而IGBT又是牽引變流器最核心的器件之一。
04
家電行業(yè)
家電行業(yè)是IGBT器件的穩(wěn)定市場。變頻空調、冰箱、洗衣機的核心控制部件是變頻控制器，它承擔了電機驅動、PFC功率校正 以及相關執(zhí)行器件的變頻控制功能。而變頻控制器很重要的一環(huán)就是IPM模塊，IPM將功率器件芯片（IGBT+FRD或高壓 MOSFET）、控制IC和無源元件等這些元器件高密度貼裝封裝在一起，通過IPM，MCU就能直接高效地控制驅動電機，配合白家電實現(xiàn)低能耗、小尺寸、輕重量及高可靠性的要求。
中能微電子一直致力于推進中國半導體產業(yè)的國產化進程，依托產學研資源優(yōu)勢，結合自身研發(fā)和知識產權專利技術的積累，推出基于第七代技術路線的微溝槽柵-場截止型FS-Trench-IGBT，實現(xiàn)了更好的溝槽密度，改善了閂鎖電流密度，元胞間距也經過精心設計，并且優(yōu)化了寄生電容參數(shù)，從而提高了開關性能，對短路電流能力也進行了優(yōu)化，持續(xù)提升產品性能。
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