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IGBT针对应用领域做了哪些精细化的设计与分类?

2022-05-11 16:15:30 谭博文 阅读:
本文结合图表详细介绍了IGBT的技术迭代,以及在不同的下游应用场景中根据功率和电压的大小对IGBT产品使用的分类..

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:绝缘栅双极型晶体管)是进行能量转换和传输的核心元器件,它可以通过对电路中电压、电流、频率、相位等参数的调整实现小输入电压控制大输出电流的目的,被广泛应用于,电机节能,新能源汽车,光伏逆变器,航空航天,家用小型电器等领域。XpAednc

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组成IGBT的电子器件与它们之间的性能差异

IGBT是由BJT(Bipolar Junction Transistor:双极节型晶体管)和MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)组成的复合型功率半导体,BJT具有导通电压低,通态可保持大电流,损耗低等特点;MOSFET的优点包括开关速度快,损耗小;输入阻抗高,控制功率小,驱动电路简单。IGBT结合了两者的优势,表1显示了这三个电子器件在性能方面的区别:XpAednc

性能特征 IGBT BJT MOSFET
驱动方式 电压 电流 电压
驱动电路 简单 复杂 简单
输入阻抗
驱动功率
开关速度 居中
工作频率 居中
饱和压降

表1:IGBT、BJT、MOSFET电子器件性能比较(来源:国融证券研究与战略发展部)XpAednc

7次革新的IGBT经历了哪些技术升级

从上个世纪八十年代中发展到今天,IGBT已经经历了7次技术和工艺的升级变革,IGBT从工艺线宽、通态饱和降压、关断时间,功率损耗等各项指标都进行了全方面的优化,芯片的面积从100到现在结构紧凑的20,断态电压从600V提升至7000V,晶体管从正向流通到反向截至的关断时间从0.5mS降至0.12mS;工艺线宽由5μm降低至0.3μm。表2为IGBT从第一代更新到第七代的芯片技术指标对比:XpAednc

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表2:从第一代到第七代芯片各项技术指标XpAednc

由于IGBT产品对于可靠性和质量的稳定性要求较高,所以产品的生命周期要比一般的IC产品更长,目前市场上非穿通型IGBT产品的使用频率相对较高。发展到第七代的IGBT各方面的性能都趋向稳定成熟,被应用于不同的领域。XpAednc

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根据应用市场需求设计的3款IGBT产品

根据下游应用场景的不同,工程师用三种不同的生产制造技术产出了3类IGBT:IGBT单管,IGBT模块,IPM模块;表3种清晰阐述了这三种类型的IGBT产品制作的介绍,生产工艺技术以及适用的应用场景。XpAednc

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表3:IGBT三种不同模块产品与适用领域介绍(来源:比亚迪招股说明书)XpAednc

IGBT单管主要应用于小功率家电,分布式光伏逆变器等小功率变频器等领域,IGBT模块由于其高度集成性和可靠性,容量相同的前提下有更小的体积和更轻的重量,易于安装而且散热稳定,应用于大功率变频器,新能源汽车中功率消耗较大的(充电桩,电机控制器等)模块;而IPM模块重点专注于通过调节输出电流的幅值和控制电机的转速改变频率,适用于各类变频家电如洗衣机,空调等。据IHS Markit数据显示:IGBT模块目前市场应用率最高,应用占比超过50%。XpAednc

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根据应用领域所需的电压等级对IGBT进行分类

除了关乎于功率大小的应用场景对IGBT产品不同的设计外,在新能源汽车、智能电子设备以及轨道交通这些应用场景需要的IGBT电压也是不同的。所以根据电压划分,IGBT可以分为超低压,低压,中压和高压4部分,表4为不同电压等级对应的电压范围以及对应的下游应用适用领域:XpAednc

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表4:不同电压等级IGBT的范围和对应应用领域XpAednc

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IGBT在消费电子板块以超低压为主,在家用大功率电器,电动汽车等领域使用的IGBT电压等级一般在中低压,IGBT中的高压等级一般在轨道交通,工业装备和新能源发电中使用。XpAednc

责编:Bowentan
谭博文
EDN China Researcher
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