IGBT应用场景及技术发展

标签:IGBT功率
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什么是IGBT?

简单来说,IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor)是一种复杂的功率半导体器件,具有驱动功率小及低饱和压的优点。

为什么复杂?因为它的全称是——

一种由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。(名字长到一口气都读不完- -)

别担心难理解,我们只要记住:

它是一种功率半导体器件。

功率半导体器件指能够耐受高电压或承受大电流的半导体分离器件,主要用于控制电路中的电能变换。若按照是否需要通过外界条件控制为分类标准,可分为不可控型功率器件、半控型功率器件和全控型功率器件(如下图)。

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IGBT之所以称为全控器件,是由于它既可以可以触发导通,也可以触发关断。具体到应用层面,它能够实现直流电和交流电之间的转化或改变电流的频率,起到逆变和变频的作用。广泛应用于逆变器、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

小结一下,IGBT是一种由计算机控制的电路开关,为下游应用的各种工况做服务。

IGBT应用形式及技术发展

1)应用形式

IGBT最常见的应用形式不是单管,而是模块。

IGBT模块是 IGBT 芯片封装后的产品,将多个芯片以绝缘方式组装在金属基板上,再用空心塑壳封装,用高压硅脂或者硅脂作为绝缘材料。

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与IGBT单管相比,IGBT模块的主要优势在于:

·  多个 IGBT 芯片并联,减少了外部电路连接的复杂性,电流规格更大,参数更优;

·  器件之间的连接线路长度被大大缩短,引线电感更小。

·  更适合于大功率应用,IGBT模块的最高电压一般会比IGBT单管高 1-2 个等级。

2)技术特点

以IGBT技术特点作为发展节点进行分类,目前已经历七代变更。

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第7代 IGBT由三菱电机在2012 年推出。根据天玑创投调研结果,目前第四代IGBT芯片为国际主流。我国自主生产的IGBT芯片也已达到第四代技术水平。新型IGBT芯片较旧代芯片相比,技术能耗更低,但对性能影响不大。由于工业领域应用更看重芯片的可靠性,不会大规模使用处于技术突破初期的产品,因此大多数用户仍选择使用旧代芯片。

从制造材料来看,第一代与第二代功率半导体材料是硅(Si)和砷化镓(GaAs),随着电压、温度、频率、功率等参数指标的提升,使用传统硅(Si)材料制造的IGBT已无法适应市场需求。

因此,以碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体材料,具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、开关损耗小、频率高、功率大等优点,成为半导体技术研究和产业竞争的焦点。最新一代IGBT的碳化硅(SiC)技术已在日本普及,三菱、Fuji、Rohm 等公司都已具备以碳化硅(SiC)为原材料制造IGBT元件的能力。由于使用碳化硅(SiC)材料制造IGBT的价格为硅基的十倍左右,受成本制约未大规模普及。

IGBT应用场景

IGBT应用领域极其广泛。小到家电、数码产品,大到轨道交通、航空航天,以及清洁发电、新能源汽车、智能电网等战略性新兴产业,都会使用IGBT。

按照电压需求分类,消费电子领域应用的IGBT在600V以下;太阳能逆变器需要1200V低损耗的IGBT,轨道交通所使用的IGBT电压在 1700V-6500V之间;智能电网应用的IGBT通常为3300V。

ROHM的兼备业界顶级低传导损耗和高速开关特性的650V耐压IGBT“RGTV系列(短路耐受能力保持版)”和“RGW系列(高速开关版)”,共21种机型。这些产品非常适用于UPS(不间断电源)、焊接机及功率控制板工业设备、空调、IH(感应加热)等消费电子产品的通用变频器及转换器的功率转换。

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IGBT市场格局

纵观全球市场,IGBT主要供应商大多集中在欧美国家及日本,如德国英飞凌、瑞士ABB、美国IR、飞兆以及日本三菱、东芝、富士等,其IGBT技术基本发展至第六代。IGBT产品在600V-6500V区间实现全线覆盖。在高电压领域(3300V以上),更是完全由英飞凌、ABB、三菱三大公司所控制。

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根据中国产业信息网资料,截至2015 年,我国 IGBT市场规模为 94.8 亿元,2008-2015 年复合增长率达到13.65%;但由于我国IGBT产业起步较晚,国产化率仅为10%,其余90%的 IGBT仍依赖进口。

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按照产业链分类,我国IGBT行业相关厂商如下:

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IGBT在我国的发展

通过海外并购,我国打破了国外在IGBT领域的技术垄断,缩短了技术差距,形成IGBT“芯片—模块—系统应用”完整产业链。

在轨交领域,我国大功率 IGBT 产品已实现自主研发生产和进口替代。

2008 年,株洲中车时代电气成功并购英国丹尼克斯公司,引进6 英寸 IGBT生产技术,在此基础上进行研发升级。2014 年6 月,我国成功建造出第一条 8 英寸IGBT 芯片生产基地,并实现了从平面栅到沟槽栅的技术升级。这是国内首条、也是世界上第二条 8 英寸IGBT芯片生产线;同年 11 月,由我国自主设计生产的8 英寸 IGBT芯片模块在云南昆明地铁成功运行。

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在新能源汽车与智能电网领域,我国IGBT技术处于进口替代进行时。

2014年 3 月,上海先进(3355.HK)与比亚迪进行首次合作,通过全套汽车级可靠性标准测试,并装车试用;2015 年8 月,上海先进正式进入比亚迪新能源汽车供应链。2015 年10 月,上海先进与比亚迪举行“建设战略产业联盟合作协议”签约仪式,进一步推动新能源车用芯片国产化进程。2016 年2 月,上海先进与国网智能电网研究院在北京成功签署了战略合作协议,积极对接国家战略产业,携手推动定制化高压IGBT 器件的研制。(备注:“上海先进”即上海先进半导体制造股份有限公司,是一家大规模集成电路芯片制造公司。专注于模拟电路、功率器件的制造。)

2017-2020年期间,预计我国新增新能源电动汽车517 万辆,新增直流充电桩100万座。新能源电动汽车使用的IGBT 模块约占总成本的5%,充电桩使用的IGBT模块占总成本的20%,按照20万元/辆和10万元/座的生产成本进行计算,将产生717亿元的IGBT市场容量。

尽管我国拥有最大的功率半导体市场,但技术实力与发达国家相比,还存在很大差距,特别是IGBT等高端器件差距更加明显。与国内厂商相比,英飞凌、三菱和富士电机等国际厂商占有绝对的市场优势。形成这种局面的原因主要是:

1)国外厂商起步早,研发投入大,形成了较高的专利壁垒。

2)国外高端制造业水平领先于国内,一定程度上支撑了国际厂商的技术优势。
因此,我国IGBT产业想要改变目前技术实力处于劣势的现状,需要在产业链上游有所突破,才能实现长足发展。

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