英飞凌第4代IGBT芯片技术
IGBT是什么？
IGBT是什么？作者：海飞乐技术时间：2017-04-13 16:00IGBT是什么？IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，所以它是一个有MOS Gate的BJT晶体管，可以简单理解为IGBT是MOSFET和BJT的组合体。
MOSFET主要是单一载流子(多子)导电，而BJT是两种载流子导电，所以BJT的驱动电流会比MOSFET 大，但是MOSFET的控制级栅极是靠场效应反型来控制的，没有额外的控制端功率损耗。
所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的优点组合起来的，兼有MOSFET的栅极电压控制晶体管(高输入阻抗)，又利用了BJT的双载流子达到大电流(低导通压降)的目的 (Voltage-Controlled Bipolar Device)。
从而达到驱动功率小、饱和压降低的完美要求，广泛应用于600V以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
图1IGBT实物图左图IGBT模块，右图IGBT管IGBT有什么用？绝缘栅双极晶体管（IGBT）是高压开关家族中最为年轻的一位。
由一个15V高阻抗电压源即可便利的控制电流流通器件从而可达到用较低的控制功率来控制高电流。
IGBT就是一个开关，非通即断，如何控制他的通还是断，就是靠的是栅源极的电压，当栅源极加+12V（大于6V，一般取12V到15V）时IGBT导通，栅源极不加电压或者是加负压时，IGBT关断，加负压就是为了可靠关断。
IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。
IGBT有三个端子，分别是G，D，S，在G和S两端加上电压后，内部的电子发生转移（半导体材料的特点，这也是为什么用半导体材料做电力电子开关的原因），本来是正离子和负离子一一对应，半导体材料呈中性，但是加上电压后，电子在电压的作用下，累积到一边，形成了一层导电沟道，因为电子是可以导电的，变成了导体。
IGBT芯片技术发展概述
IGBT芯片技术发展概述摘要：回顾IGBT芯片技术的发展历程，从最开始发明，经过不断研究，目前已经广泛的应用在工业控制、电动汽车、轨道交通、智能电网、变频家电中。
本文着重介绍了IGBT芯片技术发展历程中，不同时期解决的技术难题，包括闩锁问题、IGBT关断拖尾、降低饱和压降等，以及未来的发展展望。
关键字：IGBT; RC-IGBT; CS-TBT; SJ-IGBT; SIC-IGBTOverview of IGBT chip technology developmentAbstract: Reviewing the development history of IGBT chip technology, after continuous research from the beginning, it has been widely used in industrial control, electric vehicles, rail transit, smart grid and frequency conversion equipment. This article focuses on the technical problems solved in different periods during the development of IGBT chip technology, including latch-up problems, IGBT turn-off tailing, reduction of saturation voltage drop, etc., as well as future development prospects.Keywords: IGBT; RC-IGBT; CS-TBT; SJ-IGBT; SIC-IGBT图1 IGBT Latch-Up示意图图2 Non-Latch-Up IGBT器件结构至此，IGBT进入快速发展的阶段，多家厂商成功量产出IGBT，并不断迭代升级。
IGBT产业链梳理，大摩热捧的逻辑是什么？
IGBT产业链梳理，大摩热捧的逻辑是什么？今天我们要研究的这条产业链，其实是“新基建”的核心赛道，5G基站、特高压、高铁轨交、充电桩的顺利推动，样样都离不开它。
这行业某龙头A，2020年2月上市以来，连续20个交易日一字涨停，创下近两年的一字板记录。
其股价从首发当日的15.26元/股，一路上涨至199.52元/股，短短半年时间，上涨10倍。
图：龙头A股价图来源：wind再来看港市龙头B，2020年至今涨幅高达69.81%，振幅达154.57%。
图：龙头B股价图来源：wind它就是——IGBT产业链，堪称电力电子行业里的“CPU”。
上述两家代表龙头，分别对应斯达半导VS华虹半导体。
2020年3月份，摩根斯坦利发布研报称，“新基建”计划有一个共同的特点，就是——他们都需要电源管理或由电力驱动。
作为电力电子重要的开关部件，IGBT将有助于推动新基建的发展。
看到这里，值得思考的问题随之而来：一是，IGBT这个赛道增长驱动力是什么？对于半导体行业，技术方向VS需求，什么才是投资的主轴？二是，这个行业的市场参与者有谁？他们未来的增长空间有多少？（壹）功率半导体，按工作的电压和频率，主要划分为MOSFET（40%）、IGBT（33%）、二极管（27%）。
IGBT的集成度、结构的复杂程度均排首位，被称为电力电子行业里的“CPU”。
图：IGBT应用领域来源：国元证券从产业链来看，IGBT作为半导体产业子赛道，根据是否自建晶圆产线，分为IDM和fabless两种模式。
按照生产流程来分，IGBT产业链包括：上游的设计环节，以及中游制造、下游的模组等。
其中：上游——设计环节主要是结合材料的物理性质，对单个器件进行参数设计、调整、性能改良等，代表企业有新洁能、华微电子、斯达半导。
中游——制造环节价值占比40%以上，制造难点在于晶圆减薄、沟槽工艺、应力控制、高剂量离子注入和激光退火等。
代表企业有IDM 厂，如：英飞凌、意法半导体，也有foundry厂：华虹半导体、华润微。
IGBT基本原理ppt课件
在电力电子电路中,IGBT经常会直接承受较高的负载电压,所以选择IGBT首先就要考虑IGBT的电压等级也就是IGBT正
向阻断电压的能力。
目前市场上IGBT的电压等级主要分为600V、1200V、1700V、3300V、4500V、6500V等,不同的电压等级表
示IGBT可以阻断多少正向电压,超过相应的电压等级器件的漏电流会开始大量增加,短时间内器件也许不会损坏,但长
产品。
;.
20
四 IGBT 小结
定义： COMSFET与BJT复合的全控型 A 电压驱动大功率开关器件；
结构、原理：
PNPN四层结构； 用MOSFET控制BJT；
C
;.
背景： 80年代发展至今，IGBT拥有输入 B 阻抗大、驱动功率小、 开关损耗低以及工作频率高等优 点
电气特性： D 静态特性与开关特性
绝缘栅型场效应管（IGFET）：栅极-源极，栅极-漏极之间采用SiO2绝缘层隔离，因此而得名。又因栅极为金属 铝，所以又称为金属氧化物半导体场效应管，也就是MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）
;.
5
1.IGBT 简化等效电路
IGBT
目前, IGBT器件已从第1代发展到了第4代，它的工作频率可达到 200KH z。它的功率容量从小功率 (80-300A/500-1200V ) 的单管发展到超大功率 (1000-1200A/2500-4500 V) 的模块, 形成了系列化 产品,产品覆盖面非常大。
;.
8
二 IGBT发展历史 回顾IGBT的发展历程,其主要从三方面发展演变
制 换 流 关 断 控 制 电 路 简 抗高、控制功
英飞凌IGBT模块应用笔记
英飞凌IGBT模块应用笔记目录1 摘要2 导言2.1 数据表的状态2.2 型号命名规则3 数据表参数——IGBT3.1 集电极-发射极电压VCES3.2 总功率损耗集电极-发射极电压Ptot3.3 集电极电流IC3.4 重复性集电极峰值电流ICRM3.5 反向偏压安全运行区域RBSOA3.6 典型输出和传递特性3.6.1 IGBT器件结构以及IGBT与功率MOSFET在输出特性上的区别3.6.2 传递特性和输出特性（IGBT数据表）3.7 寄生电容3.7.1 测定电路3.7.2 栅极电荷Qg和栅极电流3.7.3 寄生导通效应3.8 开关时间3.9 短路3.10 泄漏电流ICES和IGES3.11 热特性4 数据表参数——二极管4.1 正向电流IF和正向特性4.2 重复性峰值正向电流IFRM4.3 反向恢复4.4 特热性5 数据表参数——NTC热敏电阻5.1 NTC阻值5.2 B值6 数据表参数——模块6.1 绝缘电压VISOL6.2 杂散电感LS6.3 模块电阻RCC’+EE’6.4 冷却回路6.5 安装扭矩M7 参考资料1 摘要注释：本应用笔记中给出的下列信息仅作为关于实现该器件的建议，不得被视为就该器件的任何特定功能、条件或质量作出的任何说明或保证。
本应用笔记旨在对IGBT模块的数据表中给出的参数和图表予以解释。
本应用笔记有助于要求使用IGBT模块的功率电子元件的设计者正确地使用该数据表，并为其提供背景信息。
文章来源：数据表中提及的每一项参数都给出了尽可能详细地表明该模块的特性的值。
一方面，有了这些信息，设计者应当能够对不同竞争对手提供的器件进行相互比较，另一方面，根据这些信息，设计者应当足以理解该器件的局限性所在。
本文档有助于更加深刻地理解数据表中标示的参数和特性。
本文档解释了这些参数与诸如温度等条件的影响之间的相互作用。
提及动态特性试验的数据表值，如开关损耗，均与具备确定的杂散电感和栅极电阻等等值的特定试验设置有关。
英飞凌模块IGBT
F4-75R12KS4
4单元，75A/1200V
F4-100R12KS4
4单元，100A/1200V
F4-150R12KS4
4单元，150A/1200V
FS75R12KS4
6单元，75A/1200V
FS100R12KS4
6单元，100A/1200V
T4系列
产品型号
参数说明
FF50R12RT4
6单元，450A/1200V
产品型号
参数说明
FF150R12KT3G
2单元，150A/1200V
FF200R12KT3
2单元，200A/1200V
FF300R12KT3
2单元，300A/1200V
FF400R12KT3
2单元，400A/1200V
FS25R12KT3
6单元，25A/1200V
FS50R12KT3
FF400R12KE3
2单元，400A/1200V
FF200R17KE3
2单元，200A/1700V
FF300R17KE3
2单元，300A/1700V
FS100R1Βιβλιοθήκη KE36单元，100A/1200V
FS150R12KE3
6单元，150A/1200V
FS225R12KE3
6单元，225A/1200V
FS25R12W1T4
6单元，25A/1200V
FS35R12W1T4
6单元，35A/1200V
FS50R12W1T4
6单元，50A/1200V
FS75R12W1T4
6单元，75A/1200V
FS50R12KT4
6单元，50A/1200V
英飞凌600VIGBT模块型号参数资料
FP20R06YE3 FP30R06KE3 FP30R06W1E3 FP30R06YE3 FP50R06KE3 FP50R06KE3G FP100R06KE3 ◆1200V IGBT ♦ 单管（1单元） 产品型号 FZ900R12KE4 FZ900R12KP4 FZ3600R12HP4 FZ2400R12HP4_B9 BSM200GA120DLC BSM200GA120DLCS BSM200GA120DN2 BSM200GA120DN2C BSM200GA120DN2S BSM300GA120DLC BSM300GA120DLCS BSM300GA120DN2 BSM300GA120DN2S
F4-50R06W1E3 F4-75R06W1E3 ♦ 三相桥（6单元） 产品型号 FS20R06W1E3 FS30R06W1E3 FS50R06W1E3 FS10R06VL4_B2 FS15R06VL4_B2 FS10R06XL4 FS15R06XL4 FS20R06XL4 FS30R06XL4 FS6R06VE3_B2 FS30R06XE3 FS50R06YE3 FS50R06KE3 FS75R06KE3 FS100R06KE3 FS150R06KE3 FS150R06KE3_B4 FS200R06KE3 FS50R06YL4
30A，600V@Tc=80℃，IGBT2 Low Loss，饱和压降1.95V 50A，600V@Tc=80℃，IGBT2 Low BSM50GD60DLC Loss，饱和压降1.95V 75A，600V@Tc=80℃，IGBT2 Low BSM75GD60DLC Loss，饱和压降1.95V 100A，600V@Tc=80℃，IGBT2 Low BSM100GD60DLC Loss，饱和压降1.95V 150A，600V@Tc=80℃，IGBT2 Low BSM150GD60DLC Loss，饱和压降1.95V 200A，600V@Tc=80℃，IGBT2 Low BSM200GD60DLC Loss，饱和压降1.95V BSM20GD60DLC_E32 20A，600V@Tc=80℃，IGBT2 Low 24 Loss，饱和压降1.95V BSM30GD60DLC_E32 30A，600V@Tc=80℃，IGBT2 Low 24 Loss，饱和压降1.95V BSM50GD60DLC_E32 50A，600V@Tc=80℃，IGBT2 Low 26 Loss，饱和压降1.95V 10A，600V@Tc=80℃，IGBT3，饱和压降 FS10R06VE3 1.55V 10A，600V@Tc=80℃，IGBT3，饱和压降 FS10R06VE3_B2 1.55V 15A，600V@Tc=80℃，IGBT3，饱和压降 FS15R06VE3 1.55V 15A，600V@Tc=80℃，IGBT3，饱和压降 FS15R06VE3_B2 1.55V FS20R06VE3(no 20A，600V@Tc=80℃，IGBT3，饱和压降 Datasheet) 1.55V 20A，600V@Tc=80℃，IGBT3，饱和压降 FS20R06VE3_B2 1.55V 30A，600V@Tc=80℃，IGBT3，饱和压降 FS30R06VE3 1.55V 15A，600V@Tc=80℃，IGBT3，饱和压降 FS15R06XE3 1.55V BSM30GD60DLC FS400R06A1E3 FS800R06A2E3 ♦ 整流桥＋三相桥（PIM） 产品型号 BSM10GP60 BSM15GP60 基本参数 10A,600V 15A,600V 400A,600V,三相桥,HEV专用 800A,600V,三相桥,HEV专用
杂散电感对高效IGBT逆变器设计的影响
杂散电感对高效IGBT逆变器设计的影响杂散电感对高效IGBT逆变器设计的影响IGBT技术不能落后于应用要求。
因此，英飞凌推出了最新一代的IGBT 芯片以满足具体应用的需求。
与目前逆变器设计应用功率或各自额定电流水平相关的开关速度和软度要求是推动这些不同型号器件优化的主要动力。
这些型号包括具备快速开关特性的T4芯片、具备软开关特性的P4芯片和开关速度介于T4和P4之间的E4芯片。
表1简单介绍了IGBT的3个折衷点，并对相应的电流范围给出了建议。
表1：英飞凌1200V IGBT简介。
IGBT和二极管的动态损耗为研究和比较这三款不同芯片在杂散电感从23nH到100nH时的开关损耗和软度，我们选用了一种接近最优化使用T4芯片的合理限值的模块。
因此，选择一个采用常见的62mm封装300A半桥配置作为平台，而模块则分别搭载了这三款IGBT芯片。
这三个模块都采用了相同的高效发射极控制二极管和栅极驱动设置。
图1为实验设置。
图1：测试设置：为测试续流二极管的反向恢复特性，驱动高压侧IGBT，并将负载电感改为与低压侧二极管并联。
图2显示了两个不同杂散电感对配备IGBT-T4的300A半桥的开通波形的影响。
图2：T4的开通特性：上图显示的是针对两个电感（Ls=23nH和Ls=100nH）的损耗/时间曲线；下图显示的是电压和电流曲线。
当电流升高后，更高的杂散电感Ls不仅可以增大器件端子的电感压降（Δu=-L*di/dt），而且还能影响电流上升速度di/dt本身。
尽管寄生电感使导通速度减缓，但导通损耗却大幅降低。
在该示例中，初始开关阶段的损耗（见图2中的时间戳a）随着杂散电感的增大由30.4mW降至12mW。
开关事件第二阶段的特点是二极管出现反向恢复电流峰值以及IGBT 电压进一步下降。
寄生电感的增大会导致反向恢复电流峰值的延迟，以及第二阶段开关损耗的提高。
因此，就整个开关事件而言，寄生电感的增大可大幅降低开通损耗。
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IGBT4（1200V）：大功率P4
关断过程对比：P4（及EmCon4）呈现明显的“软”特性
E3
1176V
P4
300V
EmConFAST
EmCon4
I=1/10 Inom Tj=Tvjmax
9-Jul-09
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IGBT4模块的可靠性：功率循环（PC）次数
IGBT4模块的150°C最 高允许工作结温，源 于内部焊线工艺的改 进，使其可靠性指标功率周次（PC）数大 幅增加！
开关能耗
1
2
饱和电压
3
4
5
T4-小功率IGBT4：开关能耗低于T3 （提高了开关速度） E4-中功率IGBT4：开关能耗低于E3 （提高了开关速度） P4-大功率IGBT4：开关能耗高于E3 （降低了关断速度，使关断“柔软”）
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中功率IGBT4–E4
为中、大功率应用优化设 用于中、大功率模块 在E3的基础上 - 提升开关速度 - 使关断波形更平滑一些 电压等级：1200V，1700V 适用开关频率：≤8kHz 配用中功率EmCon4二极管
大功率IGBT4–P4
为大功率应用优化设计 用于大功率模块 在E3的基础上 - 使关断过程“软” - 降低关断速度 电压等级：1200V，1700V 适用开关频率：≤3kHz 配用大功率EmCon4二极管
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IGBT4（1200V）：中功率E4
关断过程对比：E4的波形比E3平滑一些
E3 E4 E4800VFra bibliotek900V
测试条件：Ic=Ic,nom=450A，Vdc=800V/900V（仅供测试），Tj=25°C
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FZ1600R17KF6C_B2 对比 FZ1600R17HP4_B2 Ic=1600A, Vdc=900V, Tj=25°C，Ls=70nH
FZ1600R17KF6C_B2 Eoff = 461mJ Vcemax = 1464V 触发箝位保护
FZ1600R17HP4_B2 Eoff = 425mJ Vcemax = 1332V 无箝位
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IGBT4模块：新MIPAQ™系列
MIPAQ™ base
集成有电流取样电阻
MIPAQ™ sense
集成有电流取样电阻+电流测量电路
MIPAQ™ serve
集成有驱动电路+温度测量电路
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标准模块-IGBT4
标准模块-IGBT2/IGBT3
Tj变化幅度40°C时的PC能力对比 ∆Tj=40°C Tjmin=25°C Tjmax=125°C Tjmax=150°C
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IGBT4模块：新SmartPIM和SmartPACK
复合式固定外盖
以DCB衬底为 接触面的模块 内核
PressFIT管脚
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IGBT4芯片技术-小结
IGBT4（FZ3600R17HP4） Vce=900V
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IGBT4（1700V）：大功率P4
关断过程：对比IGBT2（KF6C），P4呈现较“软”特性，且关断能耗较小
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IGBT4（1200V）：特征参数的调整
P4 IGBT3–E3 IGBT2–DLC IGBT2–DN2 IGBT3–T3 E4 -15% Eoff -20% Eoff T4 IGBT2–KS4
800V
IGBT关断 二极管关断
1200A
1200A
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IGBT4（1700V）：大功率P4
关断过程：对比IGBT3（E3），P4呈现明显的“软”特性
FZ3600R17KE3 对比 FZ3600R17HP4 Ic=3600A, Vdc=600V/900V, Tj=25°C, 无箝位
IGBT3（FZ3600R17KE3） Vce=600V
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IGBT4模块-小结
150°C 最高允许工作结温 模块的可靠性（PC次数）大幅增加 模块的电流输出能力增大（应用功率Ç） 以较小的封装尺寸实现相同的电流规格（功率密度Ç） 在相同的封装尺寸内实现更高的电流规格（功率密度Ç） 电流规格定义在更高的壳温条件下 两种管脚形式：焊接式，压接式 符合RoHS标准的绿色产品
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IGBT4模块：Tvjop,max = 150°C！
概念：在开关工作条件下，IGBT4模块的最高允许结温规格为 150°C， 比IGBT3/IGBT2模块（1200V和1700V）的规格提高了25°C！ 出发点：适应芯片小型化（RthjcÇ，∆Tjc[=PLoss×Rthjc]Ç） 实现：IGBT4模块内部焊线工艺的改进 可靠性因素：焊线工艺决定了模块的可靠性指标之一-功率循环（PC） 次数。PC次数与结温有关，在相同的结温摆幅下，结温越高，PC次数 越低。要提高结温规格，必须改进焊线工艺，才能保证模块用于更高 的结温时，其PC次数（使用寿命）不减。 结果：1）IGBT4模块的可靠性（PC次数）大幅增加 2）IGBT4模块的电流输出能力增大（应用功率Ç） 3）以较小的封装尺寸实现相同的电流规格（功率密度Ç）
IGBT2/3 6×106 1×106
IGBT4 2.3×107 5×106 2×106
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IGBT4模块（小、中、大功率）
12W1(W2,K,M)T4
Easy-1B (W1) Easy-2B (W2)
12K(I,M)E4，17I(M)E4
12I(H)P4，17HP4
Econo-2 (K)
IGBT4（1200V）：小功率T4
关断过程对比：T4的波形比T3的平滑一些
/ us
测试条件：Ls=200nH（极大），Ic=150A（Ic,nom=300A），Vdc=400V/450V/500V，Tj=25°C
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英飞凌第4代IGBT芯片技术-IGBT4 IGBT4模块封装
IGBT4：基于IGBT3技术
IGBT3 IGBT4
沟槽栅
降低饱和电压，维持开关速度
场终止层
减小芯片厚度，降低饱和电压
共同的优点：
饱和电压正温度系数 短路承受时间10μs 饱和电压低
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Econo-3 (K)
EconoPACK+ (K) PrimePACK (I)
62mm (K)
EconoDUAL3 (M)
EconoDUAL2 (M) IHM-B (H)
62mm (K)
PrimePACK (I)
9-Jul-09
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IGBT4：基于IGBT3技术，按应用优化特性
分别针对小、中、大功率应用而设计的三种IGBT4芯片 小功率IGBT4–T4