IGBT,英文全称为 Insulated Gate Bipolar Transistor,即绝缘栅双极型晶体管,如图2.25所示,图2.25(a)为1GBT晶圆,图225(b)为IGBT等效电路。
将IGBT晶圆进行切割后,得到的最小全功能单元称为IGBT管芯,将管芯进行组合装配和封裝,便能够得到模块。通常所说的IGBT都是指IGBT模块,一般是由多个IGBT管芯与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品,如图所示。
IGBT模块主要由母排电极、键合引线、芯片、焊层、衬板和基板等部分组成,各个部分之间的连接构成了IGBT模块的封装。
IGBT作为一个执行单元,依靠软件控制实现信号流在二进制0和1之间转换,1代表开,即电路导通;0代表关,即电路断开。因此可以把IGBT简单看成控制大电流的开关,可以实现每秒几万次的开关变换频率。
IGBT是能量转换与传输的核心器件,被称为电力电子装置的“CPU( Central Processing Unit)”,无论是电动汽车的DC/DC变换器,还是逆变器抑或者是轨道交通、智能电网、航空航天等领域,IGBT都扮演着极其重要的角色(表2.3)。
特别地,对于电动汽车,IGBT约占电驱动系统成本的一半,而电动机驱动系统占整车成本的15%~20%,也就是说IGBT占整车成本的7%-10%,是除电池之外成本第二高的元件。
IGBT所使用的高压大电流的芯片技术含量非常高,是半导体产业上的明珠”。目前走在行业前列的主要有英飞凌、ABB、三菱等国外厂商,其中英飞凌几乎包揽了所有电动汽车领域的IGBT市场。
从20世纪80年代开始,IGBT目前已经发展到第75代,第7代由三菱电机在2012年推出,同时IGBT的下一代碳化硅SC技术已经在日本全面普及,自第6代以后,GBT自身的潜力已经挖掘的差不多了,目前主要精力在IGBT的封装上和散热上。
我国作为全球最大的IGBT应用市场,目前技术大致停留在第3代水平,与日本等发达国家比差距达20年以上,特别是在IGBT产业化方面尚处于起。
步阶段,IGBT模块主要依赖进口因为IGBT的重要性,丰田是全球唯一能够自产IGBT(自己生产晶圆再封装)的汽车厂家。近年来,在国家政策的引导下,国内企业通过各种途径在IGBT芯片、模块等领域已经取得了很多可喜的进展,如中国中车2014年在国内设立的IGBT产线,比亚迪也正在加速打造IGBT国产化的产业链(芯片设计、晶圆制造、测试、封装等),并已经能实现商业化应用。
