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IGBT

IGBT

IGBT（英文全称：Insulated Gate Bipolar 晶体管，绝缘栅双极型晶体管），是一种全控型电压驱动式功率半导体器件，该半导体器件是由双极结型晶体管（BJT）和金属-氧化物半导体场效应管（MOSFET）复合而成，从而兼备了两者的优点，即输入阻抗高、控制功率小、易于驱动、开关频率高、导通电流大和导通损耗小等。IGBT可以理解为“非通即断”的开关，它可以将直流电压逆变成频率可调的交流电，主要用于变频逆变和其他逆变电路，被称为是电力电子装置的“CPU”，高效节能减排的主力军。

1979—1980 年美国北卡罗来纳州立大学 B.JayantBaliga教授通过结合双极结晶体管（BJT）技术和金属氧化物半导体场效应管（MOS‐FET）技术研制出来IGBT。但该技术由于结构和工艺上的限制，却是直到1986年才真正得到应用。目前（截至2023年9月），IGBT 已经历了6代变革，主要为在结构设计、工艺技术、技术性能等维度得到了不断优化。

IGBT主要由芯片、覆铜陶瓷衬底、基板、散热器等通过焊接而成，有栅极G、集电极c和发射极E，属三端器件。IGBT主要有单管模块、标准模块和智能功率模块三个模块。此外IGBT是目前大功率开关元器件中最为成熟，也是应用最为广泛的功率器件，兼有MOSFET 的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，驱动功率小而饱和压降低，是能源变换与传输的核心器件。目前，IGBT在轨道交通、智能电网、航空航天、fcv与新能源装备等电气领域应用广泛。未来以新能源汽车、太阳能光伏/风电逆变器、以5G通信、特高压和充电桩为代表的新基建将成为IGBT的最大拉动力，有望不断扩大IGBT的市场应用范围。

发展历史

起源

上世纪七十年代，一种采用绝缘栅、依靠感应原理输入信号的电压控制型器件MOSFET出现，它具有输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高等优点，但是其导通电阻大、通流受限，且工作电压有限。随着工业的发展，对学术界提出了简化驱动电路，降低制造成本和开关能耗、通态压降的要求。 1979—1980 年美国北卡罗来纳州立大学B·贾扬特巴利加（B.JayantBaliga）教授通过将双极结晶体管（BJT）技术和金属氧化物半导体场效应管（MOS‐FET）技术的结合，成功研制出来IGBT。

20世纪70年代初期，出现了以门极可关断晶闸管（GTO）和巨型双极晶体管（GTR）为代表的产品，它们都是自关断器件‚开关速度有了一定提高‚控制电路也得到了简化，但GTO的开关速度还是较低，GTR 还存在二次击穿等问题，而且它们都存在驱动电流大、功耗损失大的问题。于是在20世纪70年代末出现了以功率场效应晶体管 VDMOS 和静电感应晶体管 SIT 为代表的产品‚虽然开关速度快、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单，但导通电阻大仍然限制了它们的电流容量和导通容量，特别是500V 以上时，VDMOS 的导通电阻大是不容忽视的问题。为改善其问题至20世纪80年代即诞生了以绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的电力电子器件。

发展

虽然IGBT被成功发明出来，但却是因为技术原因，使得当时的IGBT需要依靠提高N-drift来提高耐压，关断功耗和导通电阻都比较高，因此在当时IGBT止步于实验室未得到普及使用。此后随着世界经济快速发展，对于能源需求的大幅提升，IGBT技术有助于降低能耗，是实现缓解碳排放的有效手段关于IGBT的研究便越发频繁起来。

最初IGBT的叫法各有不同，并没有一个统一的名字，其各自称为单片集成半导体开关器件，带阳极区功率，M0SFET、IGR、IGT、ComFET、双极模式M0SFET、MOSFET模式双极晶体管等，1982年IGBT由RCA和GE公司提出并生产出初代IGBT，并且在设计者的巧妙运作下，使得具备了MOS和双极的双重优点，但是，由于器件结构内部存在pnpn晶闸管结构，使器件产生“闭锁” 效应，导致栅失控。同时，由于n－漂移区存在非平衡载流子的注入，器件的开关速度受到影响，故当时的IGBT还未进行大规模使用。

1988年第一代平面栅(PT)型IGBT发布。它提出在功率MOS场效应管结构中引入一个漏极侧PN结，以提供正向注入少数载流子实现电导调制来降低通态压降的基本方案。这样，在IGBT的通态电流中出现了两个分量一MOS场效应分量和PNPN晶闸管分量。调整这两个分量所占比例，也成为未来处理IGBT发展问题的主要手段。

1990年第二代采用缓冲层，精密控制图形和少子寿命的平面栅穿通(PT)型外延衬底IGBT发布，这一代IGBT器件纵向采用N一缓冲层，既可以减薄有效基区厚度和硅片总厚度来减小通态压降，又能降低该发射结的注入系数。以抑制“晶闸管效应”，器件横向采用精密图形，减少每个元胞的尺寸，提高开关速度。再采用专门的扩铂与快速退火措施，以控制基区内少数载流子寿命的较合理分布。

1992年第三代沟槽栅型IGBT发布，这一代IGBT采取沟槽栅结构代替平面栅，改善了器件的导通特性和电流密度。在平面栅结构中，电流流向与表面平行的沟道时，栅极下面由P阱区围起来的一个结型场效应管是电流的必经之路，它成为电流通道上的—个串联电阻。在沟槽栅结构中，这个栅下面的J—FET是被干法刻蚀的工艺很好的挖去了，连同包围这个区域、延伸到原来栅极下构成沟道的部分P区层也都挖掉。于是N+发射源区和留下的P区层就暴露在该沟槽的侧壁，通过侧壁氧化等一系列特殊加工，侧壁氧化层外侧的P区就形成了垂直于晶圆表面的沟道。

1997年第四代非穿通(NPT)型 IGBT发布，它采用了电阻率高的 FZ 但经替换昂贵的外延片，晶体完整性和均匀性得到充分满足，在硅片背面用注入和退火的方法形成发射效率较低的PN结。此外增加对承受高阻断电压的 N漂移区的厚度，以至在高电压下不会产生耗尽层穿通现象。随着 IGBT 背面加工制造工艺的发展，又演变出了弱穿通型 IGBT（LPT-IGBT），并采用了激光退火实现背面硼离子的激活，晶圆厚度进一步减薄，明显改善了器件的关断损耗与导通压降的折中关系，并实现了 IGBT 导通压降正温度系数，提高了IGBT 的可靠性。

2001年第五代电场截止(FS)型IGBT发布，FS型IGBT是纵向结构的再一次优化，其吸收了PT型和NPT型两类器件的优点，形成硅片厚度比NPT型器件薄约1／3，又保持正电阻温度系数单极特征的各项优点。FS型结构设置的缓冲层掺杂浓度比PT结构的N一层低，但比基区N层浓度高，于是电场在其中的分布呈斜角梯形。此外，它在关断时没有拖尾电流是其最大优点。并在背面注入工艺中采用了高能离子注入工艺制备了较高浓度 N 型缓冲层，使得高压状态下IGBT内部的电场强度在缓冲层中快速下降到零，同时降低了IGBT集电极的发射效率，大幅减小IGBT的晶圆厚度，极大程度上改善了IGBT拖尾电流现象，同时明显降低了IGBT的正向导通压降。

2003年第六代沟槽型电场-截止型（FS—TrenchI）IGBT发布，这一类型采用沟槽技术优化器件表面的载流子分布，同时采用电场截止缓冲层和低发射效率的P一发射极，优化了N—漂移区的载流子分布。它是以沟槽型门极结构和电场截止型基区结构相结合为特征的。其功耗比非穿通型IGBT减少了25％，几乎没有拖尾现象。

不论是IGTB的发展是为了通过减少芯片面积来降低成本，还是提高特性使之更接近理论值，其发展都基于，（1）简化单元结构减少芯片面积提高电流密度，（2）减薄芯片厚度，提高芯片性能，（3)提高芯片的可靠工作温度。这三个基本途径。

而目前，采用精细化沟槽栅技术、薄片加工技术、场阻技术和发射极载流子浓度增强技术的器件结构已成为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的主流结构，2017年前后世界各国研究机构提出了多种器件新结构，主要有：发射极载流子浓度增强改进结构、低米勒电容结构、超结IGBT，RC-IGBT和RB IGBT等。

发展概览

结构

IGBT是由数以百万计的单元组成的重复阵列构成，其本质上是一个四层的 N-P-N-P 晶闸管结构，并拥有漂移区（发射区）、缓冲区和注入区（集电区），以及栅极G、集电极c和发射极E，属三端器件。

集电极

集电极的作用是提高器件注入效率从而减小器件的通态压降，浓度越高，器件通态压降越小，但关断功耗越大，一般采用条纹集电极结构，集电极的注入效率由其结面积和掺杂浓度决定，结面积越大、掺杂浓度越高，有效注入效率越高。集电极产生的电流为集电极漏电流。当前，领域内提到的IGBT集电极漏电流，通常是指在外部激励作用下，栅极电压为0时，集电极产生的电流。其通常被作为IGBT器件出厂或使用过程中合格检验的重要标准之一。

发射极

发射极其实就是起放大电路放大信号的作用。

栅极

栅极是弱电和强电间的电路接口，需要一定的高压隔离功能，此外栅极还应具有欠压保护、退饱和监测等保护功能，以满足其高可靠性的要求，IGBT栅极驱动器通常需要三个独立的隔离传输通道，两个通道的传输方向是由高压侧向低压侧，分别用于传输高压侧退饱和状态监测信号和高压侧欠压闭锁状态监测信号，一个通道的传输方向是由低压侧向高压侧，用于传输数字控制信号。

缓冲区

缓冲区介于P+注入区与N-漂移区之间的N+层。有N+缓冲区的IGBT称为非对称型IGBT（也称穿通型IGBT），具有正向压降较小、犬断时间短、关断时尾部电流小等优点，但其反向阻断能力相对较弱。无N-缓冲区的IGBT称为对称型IGBT（也称非穿通型IGBT）具有较强的正反向阻断能力，它的其它特性与穿通型IGBT相比较差。

注入区（集电区）

如下图所示，注入区是当IGBT接入电路工作时，部分载流子从注入区P+发射到基区N，达到调至漂移区电导率的作用，因此，IGBT具有较强的通流能力。

工作原理

IGBT本质上是用单个MOSFET去控制驱动的PNP晶体管，其与MOSFET一样，也是电压控制型器件，所以，它的通断是通过栅 - 射极电压来实现的。其中，当在栅 - 射极间加上正电压时，MOSFET 内就会形成沟道，并为 PNP 晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。同时，从+ P 区注入到− N区的空穴对−N区进行电导调制，−N区的电阻RN减小，使IGBT 也具有低的通态压降的功能。然后，当在栅-射极间加上负电压时，MOSFET内的沟道则会快速消失，PNP 晶体管的基极电流被切断，IGBT就关断了。IGBT的工作状态主要有导通、导通压降、关断、反向阻断、正向阻断、闩锁。

关断与导通

IGBT管与MOSFET一样也是电压控制型器件，通断是通过栅-射极电压来实现的。当在栅-射极间加上正电压时，MOSFET内就会形成沟道，并且会为PNP晶体管提供基极电流，从而就会出现导通现象，与此同时，从P区注入到区的空穴对V区进行电导调制，区的电阻R减小，使IGBT也具有低的通态压降的功能。当在栅-射极间加上负电压时，MOSFET内的沟道则会快速消失，PNP晶体管的基极电流被切断，此时就会出现关断现象。

导通压降

所谓通态压降，是指IGBT进入导通状态的管压降UDS，这个电压随UCS上升而下降。

阻断

若集电极得到反向电压，P-区和N+区J结会受到反向偏压影响，同时因层面厚度降低太大，阻断能力将会丧失，耗尽层则会向N-区扩展，此外，若区域尺寸增加超过一定的值，压降也会连续地变大，反向阻断形成。若集电极端子获得正电压且把栅极和发射极进行短接，P-区和N+区之间的J结受反向电压控制，正向阻断形成。

闩锁

IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN可控硅，在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁。

工作特性

静态特性

IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线，输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高， Id越大。它与GTR的输出特性相似。也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。

IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系，最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为 15V 左右。

IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。由于N+ 区存在电导调制效应，所以IGBT 的通态压降小，耐压1000V的IGBT 通态压降为2 ～ 3V 。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。

动态特性

IGBT在开通过程中，大部分时间是作为 MOSFET 来运行的，只是在漏源电压 Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间 ton 即为 td (on) tri 之和。漏源电压的下降时间由 tfe1 和 tfe2 组成。

IGBT 的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极-发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。

IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off) 为关断延迟时间，trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由 t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间t(off)=td(off)+trv 十 t(f)，式中，td(off) 与 trv 之和又称为存储时间。

关键技术

透明集电区技术

集电区层（下层）结构的新概念———透明集电区技术，把IGBT集电极的空穴注入效率降低到0.5以下，使通过集电结的总电流中电子流起主要作用，一般达70%以上。在IGBT关断时，n-区存储的过剩电子能透过集电区迅速流出，实现快速关断。因此，无需用寿命控制技术。这样不仅得到了高开关速度，更重要的是具有了UCE sat和Ron正温度系数的宝贵性能，同时关断损耗随温度变化也很小。这种温度性能可粗浅理解为透明集电区IGBT更接近于n-区电导调制的MOSFETㄢ

电场中止技术

n-耐压层（中层）结构的新概念———电场中止（Field Stop，FS）技术，其核心是在n-耐压层与p型集电区之间加入一个比n-区宽度小而掺杂浓度更高的n+型缓冲层。按照泊松方程使电场强度在该层中迅速减小到零而达到电场中止，同时提高n-区的电阻率，从而以较薄的耐压层实现同样的击穿电压。其主要优点是，耐压层的减薄可使通态电阻降低和关断损耗减小，后者是因为通态时存储的载流子总量减少。

沟槽栅技术

该技术是在IGBT的硅片正面挖许多浅而密的沟槽，把栅氧化层和栅电极做在沟槽侧壁上，因而MOS FET的沟道就成为沿沟槽侧壁的垂直沟道，其优点是：消除了Ron组成部分中的RJFET，沟道呈纵向，每个元胞占据表面积小，所以单位面积芯片中沟道数与沟道总宽度增加，Rch减小且正比于沟道的宽/长比，适当的沟槽宽度与间距可以提高n-区近表面层的载流子浓度。以上3项特点都能使Ron比平面栅结构有明显减小。

但是也有相伴而生的缺点：沟道宽度过大，使栅电容过大，对开关速度有影响，不适当的设计会使IGBT的短路电流过大，短路安全工作成问题，挖出表面光滑的槽壁，在技术上困难较大，不光滑的表面会影响击穿电压，降低生产成品率。

近表面层载流子浓度增高技术

一般IGBT中，从p型集电区注入到n-耐压层的空穴向上表面运动过程中浓度逐渐降低，所以n-区中越接近表面处电导调制作用越弱，电阻越大。近表面层载流子浓度增高技术就是用各种方法提高n-区中近表面处的电子空穴对浓度，以最大限度地减小通态电阻。

目前，采用的主要措施是：1、加大pnp管横向间距技术。在IGBT中，MOS FET与pnp管是达林顿接法，pnp管的集电结永远处于反偏，所以n-基区上边缘近pnp管集电结处空穴浓度很低。具体实现方法是：隔几个元胞设置一个pnp管，这对平面栅和沟槽栅都适用，图4示出IEGT中用的结构。对沟槽栅IGBT还可简单地加宽沟槽的宽度来实现。2、空穴阻挡层，即载流子存储层技术。该技术之一是在IGBT中pnp管的p型集电区周围用一个掺杂浓度略高于n-区的n层包围，借助n/n-高低结的接触电压，使n型相对于n-型具有更高电势，从而成为使n型相对于n-型具有更高电位，从而成为阻挡空穴向pnp管集电区流动的势垒，可以提高n-基区上边界附近的空穴浓度，改善电导调制，减小Ron中的RPINㄢ

失效模式

闩锁效应

闩锁效应也叫擎住效应，是由于IGBT超安全工作区域而导致的电流不可控现象。

闩锁是一个闸门或门的固定物。当闩锁发生时，IGBT与连续电流传导状态相关联。施加的栅极电压对输出集电极电流没有影响。不同的栅极电压下，IGBT的输出集电极电流特性变为一条与栅极电压无关的曲线，观察到的现象是IGBT正向电压下降。因此，可以将其定义为IGBT的高电流状态，并伴有崩塌或低压状态，只有通过集电极电压的极性反转或关断该电压才能使闩锁停止。在DC或AC应用中，器件中产生的热量可能是巨大的，从而导致其烧毁。

IGBT闩锁模式有两种，即静态和动态。

当电流密度超过极限临界值时会发生静态闩锁效应，因此在这种模式下，集电极电压很低而集电极电流很大。对IGBT的无损检测表明闩锁过程并不局限于IGBT中的局部区域，而是扩散到其他大部分有源区域。

当集电极电流和集电极电压都很高时，在开关期间会发生动态闩锁。但是动态闩锁所需要的电流密度低于静态模式。在IGBT关断期间，快速消失的内部MOSFET动作将导致在基极电阻Rb反方向上会产生大量的空穴流，从而形成电压降。当该电压降超过 0.7V时，从N+发射区向P型基区注入大量电子。因此，在动态模式中，由于过量的空穴流，闩锁发生在集电极电流较低时。

在要求强制栅极关断的电路中，IGBT通常用于确保动态闩锁电流远远大于最大的工作电流。由于静态闩锁电流小于动态闩锁电流，因此施加此设计约束将有助于避免静态闩锁。因此，它可以被视为最坏情况的设计标准，如果满足该标准，则将保证器件在所有工作条件下非闩锁的工作。这里需要指出的是，如果关断过程可以减慢，则大部分涌入的空穴将在漂移区中重新复合，那么闩锁的可能性相对较小。

短路失效

IGBT的短路分为一类短路和和二类短路，一类短路又称直通短路，二类短路通常也称作大电感短路。

一类短路情况下通常回路电感量很小，约为 100nH 级，主要靠Vce（sat）进行检测。二类短路分为相间短路和相对地短路，回路电感量较大，一般在uH级，可以使用电流传感器检测，也可以使用 Vce（sat）检测，根据电流变化率来定。通常这种短路回路中的电感量是不确定的。

发生一类短路时，IGBT 的电流会迅速上升，当电流上升到一般为4倍额定电流时IGBT会进入退饱和状态。当 IGBT出现退饱和现象是一种及其危险的状态，在IGBT退饱和状态时，IGBT所承受的电压等于母线电压，而流过IGBT的电流约为4倍的IGBT额定电流，通过计算可以得出这个时候的IGBT损耗将会非常大，极易引起IGBT烧毁。根据IGBT的数据手册，其最多可以耐受约10us，这个时候驱动器必须将驱动波形关闭，否则会引起IGBT的损坏。

解决方法

闩锁效应和短路失效的解决办法一般通过以下几种技术来避免，IGBT产生闩锁效应：减小体积扩展电阻 Rs 来避免产生闩锁效应、通过优化n缓冲层的厚度和掺杂来控制PNP晶体管的hFE以及通过导入降低寿命的掺杂物质手段来控制PNP晶体管的hFE。避免IGBT短路的基本方法是在驱动电路上使用退饱和保护方法，当IGBT出现退饱和时驱动电路可以立刻检测到退饱和的产生并及时关断IGBT的驱动波形，从而有效保护IGBT的可靠运行。

生产与制备

近几年，随着科技的发展，适用于大电流、高电压工况的工IGBT元件己模块化生产。它的驱动电路也己由集成化的IBGT专用驱动电路替代了原有的由分立元件构成的驱动电路。这种模块化的IGBT元件与它的前代产品相比，具有体积小、可靠性高、性能更好等诸多优点。

应用领域及数据

基于自身的种种优势和特性，现阶段，IGBT被大规模应用于工业控制、变频家电、轨道交通、智能电网和新能源汽车等多个关键领域。

工业控制领域

工业控制领域对IGBT的市场需求最大，呈现逐渐增长态势。由于IGBT模块是变频器、逆变焊机等传统工业控制及电源行业的核心元器件，随着工业控制及电源行业市场的逐步回暖，IGBT模块将发挥更为关键的作用。

变频家电领域

在变频家电领域，IGBT以其高频、低损耗的特性逐渐成为了变频家电领域的关键器件，变频家电中主要使用的就是集驱动电路、保护电路功能于一身的IGBT模块。IGBT模块在变频器中不仅起到了传统三极管的作用，还能起到整流的作用。随着人们节能意识的逐步提高，变频空调、变频洗衣机、变频冰箱和无火烹电磁炉等变频家电在市场上日渐火爆，IGBT在该领域的重要作用日益凸显。

轨道交通

轨道交通对IGBT也有着巨大的需求，目前大功率IGBT模块是电力机车和高速动车组的核心组件。根据相关资料，电力机车一般需要500个IGBT模块，动力分散式列车需要超过100个IGBT模块，一节地铁则需要50～80个IGBT模块。

智能电网领域

在智能电网领域，每年对IGBT的市场需求量可达4亿元，在新能源汽车中，IGBT模块约占整车成本的7%～10%，是除电池之外所占成本第二高的元件，决定了整车的能源效率。

新能源发电

在新能源发电领域中发挥着至关重要的作用，其是电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件。IGBT模块占电动汽车成本将近10%，占充电桩成本约20%。此外风力发电、光伏发电中的整流器和逆变器都需使用IGBT。

应用数据

根据HIS Markti数据，2019年IGBT模块市场份额前五的企业分别是英飞凌、三菱集团、富士、赛米控和维科集团电子，这五家企业占据了全球68.8%的市场份额。在国内新能源汽车IGBT模块市场中，英飞凌2019年市场份额占比58.2%，处于绝对领先地位。2012～2019年我国IGBT年复合增长率为14.52%。根据预测，受益于新能源汽车与工业领域的需求大幅增加，我国的IGBT市场规模将持续增长，到2025年，中国IGBT市场规模将达到522亿人民币，2018～2025年复合增长率达19.96%。

发展趋势

发展方向

应用

新能源汽车、太阳能光伏/风电逆变器、以5G通信、特高压和充电桩为代表的新基建成为IGBT的最大拉动力，在未来有望不断扩大IGBT的市场应用范围。并且随着供应链自主安全意识的提升，IGBT作为半导体器件突出代表，成为中国重点发展的对象。中国诸多企业纷纷布局，通过跨代研发，参考欧美各国产品升级进程，逐步实现与国际龙头企业产品代际差距的缩小。

新材料与工艺

从PT向NPT的改变时用高阻的区熔单晶(Fz)代替高阻厚N一／P+外延片来降低生产成本，Fz硅片提供了较好的缺陷密度和纯度，但缺乏内吸杂处理。因此在未来的工艺例如栅氧化时可能要采用内吸杂方法来提高栅氧化层的质量。未来在满足IGBT高电压和低漏电的要求之下，在未来的制造工艺中，要注意优化腐蚀工艺和氧化工艺，此外还需进一步提高制造技术和大功率封装技术，其中尤其是解决薄片工艺问题。

面临挑战

国际环境

国际宏观环境日益复杂。当今世界正面临百年未有之大变局，国际形势多变急变，全球投资贸易格局、科技创新格局、金融货币格局以及多元治理体系深刻变革，影响着包括IGBT器件在内的各产业的发展态势和进程。此外应用市场高度集中垄断。IGBT市场格局高度集中，在近20年内，德、日、美三国厂商几乎垄断了所有IGBT的供应，随着中国IGBT的逐步发展，市场份额也在逐步扩大。

创新技术

IGBT芯片是IGBT模块的核心，不仅需要企业的深厚技术底蕴和强大的创新能力。车规级IGBT是技术密集型产品，进入产业的门槛较高，并且需要发达和成熟的本国汽车产业支撑，此外，IGBT模块在应用端是关键部件，其可靠性认证，替换成本，品牌以及市场检验等诸多方面需大资金、长周期的投入，进入壁垒较高。目前IGBT产业链成熟度有待完善。

产业链

在当前贸易保护以及缺芯的背景下，IGBT的上下游配套还需要进一步完善。从IGBT供应商到汽车整车厂，IGBT模块、电路板、传感器、电容等需要被整合到电机控制器中，然后由电机控制器发挥电力转换、传输与分配的功能，其中的电机控制器厂商也是关键一环。因此需要强化IGBT完整、可靠的产业链生态。

注意事项

在使用IGBT时应注意以下几点，一、注意电流额定值，若IGBT的集电极电流大，则导通损耗和开关损耗也大，元件的发热也大。所以，应考虑发热条件，并在元件接点温度为150℃以下（通常定额降低为125℃以下）的集电极电流下使用，一般集电极电流的最大值控制在额定电流以下。

二、注意静电，由于IGBT含有MOSFET结构其栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到 20V～30V。因此由静电而导致栅极击穿是 IGBT失效的常见原因之一。

三、注意寄生电感和振荡电压在应用中除了要保证栅极驱动电压低于栅极最大额定电压，也需注意由于栅极连线的寄生电感，和栅极与集电极间的电容会耦合产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，应用中通常采用双绞屏蔽电缆 (屏蔽层接地)来传送驱动信号，以减少寄生电感;在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。

四、注意栅极回路故障，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时 (如:栅极处于开路状态)，若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只10kΩ 左右的电阻。

制造商

根据HIS Markti数据，2019年IGBT模块市场份额前五的企业分别是英飞凌、三菱集团、富士、赛米控和维科集团电子，这五家企业占据了全球68.8%的市场份额。近两年，中国企业也纷纷走上了IGBT进阶之旅。中国发展较快的IGBT企业首先是斯达半导，公司2021年实现营收17.07亿元，同比增长77.22%。此外还有时代电气，闻泰科技，华润微电子，士兰微，新洁能等多家公司。

参考资料

..2023-09-01

..2023-09-05

第一代到第六代IGBT之低功率IGBT.中国电力电子产业网.2023-09-05

IGBT多领域显身手，降低成本是关键.今日头条.2023-09-05

IGBT的主要应用领域有哪些?.中国工控网.2023-09-14