盡管寬禁帶技術(shù)正在崛起，但傳統(tǒng)的功率電子器件仍在持續(xù)進(jìn)化并被廣泛應(yīng)用。憑借其出色的性價(jià)比、穩(wěn)定的供應(yīng)以及經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證的可靠性，在小型化和輕量化無法帶來較大附加值的應(yīng)用場(chǎng)景中，一直是非常實(shí)用的選項(xiàng)。

碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）功率器件在高效率、高溫及小型化應(yīng)用中性能表現(xiàn)優(yōu)異，氧化鎵（Ga?O?）和金剛石等材料研發(fā)也取得了顯著進(jìn)展。盡管已經(jīng)取得了很多進(jìn)步，不過還有許多系統(tǒng)仍需持續(xù)依賴硅功率電子技術(shù)，特別是絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。

本文將闡述IGBT持續(xù)獲得廣泛采用的原因。將從成本與供應(yīng)考量、既有可靠性數(shù)據(jù)的價(jià)值、以及寬禁帶半導(dǎo)體優(yōu)勢(shì)在系統(tǒng)層面僅能提供有限益處的應(yīng)用場(chǎng)景種類等方面進(jìn)行探討。另外還會(huì)簡(jiǎn)要介紹在IGBT性能的持續(xù)改進(jìn)和擴(kuò)展。

高性價(jià)比和供應(yīng)穩(wěn)定性備受好評(píng)

如今，功率元器件所受到的關(guān)注度已達(dá)到前所未有的高度。主要原因在于SiC和GaN功率器件等新一代功率器件的問世。另外，關(guān)于Ga?O?和金剛石功率器件等新一代功率器件的研發(fā)不斷取得進(jìn)展，其實(shí)用化前景備受期待，這也進(jìn)一步助推了市場(chǎng)關(guān)注度的提升。

然而，下一代及下下代功率器件的面世，并不意味著電子設(shè)備設(shè)計(jì)工程師會(huì)全面采用這些產(chǎn)品。他們只是合理地選擇能夠?qū)⒛繕?biāo)應(yīng)用產(chǎn)品的價(jià)值最大化的功率器件。如果判斷現(xiàn)有硅（Si）功率器件能使應(yīng)用產(chǎn)品的價(jià)值最大化，那么他們將會(huì)繼續(xù)采用Si功率MOSFET和IGBT。

實(shí)際上，基于這一判斷而選擇繼續(xù)使用IGBT的應(yīng)用場(chǎng)景并不少見。半導(dǎo)體領(lǐng)域全球知名制造商ROHM表示，“不僅在日本，海外市場(chǎng)對(duì)IGBT的關(guān)注度也在迅速提高”。這種關(guān)注度快速上升的原因在于，2021年以來工業(yè)設(shè)備、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)汽車（EV）、混合動(dòng)力汽車（HEV）以及光伏逆變器等領(lǐng)域?qū)GBT需求量的持續(xù)擴(kuò)大。ROHM的報(bào)告中顯示，這些應(yīng)用領(lǐng)域的制造商咨詢量顯著增加，產(chǎn)品銷量正保持穩(wěn)步上升態(tài)勢(shì)。

半導(dǎo)體分析師Grossberg?大山聰先生也持相同觀點(diǎn)：“SiC功率MOSFET和GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）市場(chǎng)未來將持續(xù)擴(kuò)大，但I(xiàn)GBT市場(chǎng)規(guī)模不會(huì)萎縮?！鳖A(yù)計(jì)IGBT市場(chǎng)在2025年后仍將保持約10%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR），呈較快增長(zhǎng)趨勢(shì)。

最合適的功率器件選型并非僅由電氣特性決定

那么，電子設(shè)計(jì)工程師在應(yīng)用產(chǎn)品中采用IGBT時(shí)最重視的特性是什么？

在電氣特性方面，競(jìng)品SiC功率MOSFET和GaN HEMT器件在很多方面的表現(xiàn)會(huì)優(yōu)于IGBT（表1和表2）。具體而言，比如導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗的降低、高速工作能力（實(shí)現(xiàn)高開關(guān)頻率）、高溫工作能力等優(yōu)勢(shì)。

因此，將這些優(yōu)勢(shì)運(yùn)用到應(yīng)用產(chǎn)品中可帶來諸多好處：延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間、降低電池容量要求、實(shí)現(xiàn)更小型輕量的電路、減少發(fā)熱量等。這些優(yōu)勢(shì)在移動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域的價(jià)值尤為顯著。最終，SiC功率MOSFET和GaN HEMT器件主要在電動(dòng)汽車牽引逆變器和DC-DC轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用領(lǐng)域得以快速普及。

表1：?jiǎn)挝幻娣e導(dǎo)通電阻的變化趨勢(shì)

低電壓：Si MOSFET更合適。速度快且損耗低。

中等電壓：SiC MOSFET更合適。高頻條件下仍保持低損耗，面積效率優(yōu)。

高電壓額定：IGBT更具優(yōu)勢(shì)。相比SiC，導(dǎo)通電阻更低，芯片面積效率更高。

表2：IGBT與SiC功率MOSFET的性能比較

但是，從另一角度來看，在難以實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用場(chǎng)景中，采用SiC功率MOSFET或GaN HEMT器件并不具備決定性理由。具體而言，是這類應(yīng)用場(chǎng)景并不以小型化和輕量化為首要考量因素。

具有代表性的示例包括工業(yè)設(shè)備和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在這些應(yīng)用中，即使通過采用SiC功率MOSFET或GaN HEMT實(shí)現(xiàn)了小型化和輕量化，也不能轉(zhuǎn)化為足以顯著提高銷售額的附加值。因此，設(shè)計(jì)者通常不會(huì)為采用SiC功率MOSFET或GaN HEMT帶來的成本增加買單。換言之，電子設(shè)備設(shè)計(jì)工程師會(huì)基于出色的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)而選擇IGBT。

除此之外，還存在僅憑電氣性能無法定義的“采用IGBT的理由”。例如，與SiC功率MOSFET和GaN HEMT相比，IGBT的供應(yīng)穩(wěn)定性明顯更高。此外，IGBT自實(shí)現(xiàn)實(shí)用應(yīng)用以來已歷經(jīng)約40年，擁有豐富的可靠性數(shù)據(jù)及長(zhǎng)期應(yīng)用所積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

在實(shí)際的電子設(shè)備設(shè)計(jì)中，電力器件的選型不僅需要考量電氣特性，更需要綜合評(píng)估上述各種要素。因此，即使新電力電子器件不斷涌現(xiàn)，在特定應(yīng)用場(chǎng)景中IGBT仍被持續(xù)采用。

IGBT技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)

此外，IGBT絕非過時(shí)的功率器件，而是一直到進(jìn)步。也就是說，其性能提升仍有充分的空間。

IGBT的性能通過元器件層面和工藝層面的雙重改進(jìn)，已得到顯著提升。例如，采用“非穿通”和“場(chǎng)截止”等新器件結(jié)構(gòu)、硅晶圓減薄、以及溝槽柵微縮（間距縮小）等方面的改進(jìn)。最終，IGBT實(shí)現(xiàn)了集電極-發(fā)射極飽和電壓（VCE(Sat)[1.1]）降低、電流容量增加、開關(guān)頻率提高（開關(guān)損耗減少）以及短路耐受能力增強(qiáng)。

然而，在硅晶圓減薄和溝槽柵間距微縮方面，仍存在改善余地。ROHM開發(fā)部部長(zhǎng)石松祐司表示：“IGBT的性能提升仍存在潛在空間。2026年以后推出的產(chǎn)品，其器件結(jié)構(gòu)本身很可能會(huì)迎來重大變革。我們會(huì)逐步將這些技術(shù)發(fā)展融入到產(chǎn)品中?！?/p>

未來，在保持“較低成本”、“高可靠性”和“高實(shí)用性”等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，性能得到進(jìn)一步提升的IGBT產(chǎn)品被投入市場(chǎng)的可能性很大。

在內(nèi)置多個(gè)IGBT的功率模塊領(lǐng)域，仍有望實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步技術(shù)突破。目前，ROHM已推出的功率模塊“TRCDRIVE packTM”，具有高電流密度和出色的散熱特性[2.1]（圖1）。目前所采用的功率器件，是ROHM第4代SiC功率MOSFET。

功率模塊 TRCDRIVE packTM：雖尺寸小巧，卻通過單面散熱設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與競(jìng)品同等散熱性能的封裝型功率模塊。目前供應(yīng)的是內(nèi)置2枚ROHM第4代SiC功率MOSFET的二合一型模塊。

本功率模塊具有兩大特點(diǎn)：第一，通過優(yōu)化內(nèi)部布局，將電感降至更低，從而降低了開關(guān)損耗；第二，雖采用單面散熱設(shè)計(jì)，仍以小巧尺寸實(shí)現(xiàn)了與競(jìng)品同等的散熱性能。

在安裝方法上，采用了銀（Ag）燒結(jié)技術(shù)，通過高溫高壓將模塊內(nèi)部芯片（功率器件）與引線框架進(jìn)行接合。這既提高了接合可靠性，又提高了功率密度。

ROHM計(jì)劃在不久的將來將這項(xiàng)技術(shù)也應(yīng)用于IGBT。

此外，在模塊與外部散熱器的接合部位，ROHM與 Arieca 公司聯(lián)合研發(fā)出采用了液態(tài)金屬填充彈性體（LMEE）的低溫接合技術(shù)。該技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了與銀燒結(jié)接合技術(shù)同等的熱阻，還可在更低溫度和壓力條件下完成接合。這在提高散熱效率的同時(shí)，更大程度地提升了模塊的電氣性能。

液態(tài)金屬填充彈性體（LMEE）是美國(guó)Arieca公司推出的熱界面材料。具有低熱阻特性，應(yīng)用于功率模塊可提升其散熱性能。

電力電子技術(shù)演進(jìn)中的可靠選項(xiàng)

寬禁帶器件為電源設(shè)計(jì)者提供了更多的選擇，同時(shí)，IGBT憑借其出色的可靠性和成本效益優(yōu)勢(shì)，依然是眾多系統(tǒng)的優(yōu)選方案。其成熟的供應(yīng)鏈、穩(wěn)定的可靠性以及持續(xù)的技術(shù)改進(jìn)，即使是在SiC和GaN的優(yōu)勢(shì)僅能提供有限的附加值的應(yīng)用場(chǎng)景中，IGBT依然保持著作為實(shí)用解決方案的地位。