尽管碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率器件的普及正在加速，但绝缘栅双极晶体管（IGBT）的关注度却再度升温。在追求高效率和小型化的应用场景中，SiC和GaN正强势崭露头角；然而，在工业设备和电机驱动系统中，IGBT依然占据主流地位。本文将探讨IGTB在当今技术背景下持续而广泛地被选用的技术与经济原因，并介绍IGBT自身至今仍在持续的发展动态。
功率器件选择的现实：性能并非唯一标准
除了SiC和GaN，氧化镓（Ga2O3）和金刚石功率器件的研发也在不断推进。然而，新器件的出现并不意味着设计工程师会一拥而上地进行一刀切式的切换。工程师在选型时，总是会理性地选择最能实现应用价值最大化的器件。正是基于这种理性判断，最终依然有相当多的应用场景在继续采用IGBT。
ROHM表示：“不仅在日本，海外市场对IGBT的关注度也在迅速高涨。”自2021年以来，工业设备、电机驱动系统、电动汽车（EV）、混合动力汽车（HEV）以及太阳能发电用的逆变器等领域对IGBT的需求不断增长，其销量也稳步上升。 半导体行业分析机构Grossberg的大山聪先生也指出：“尽管SiC功率MOSFET和GaN HEMT的市场在未来会进一步扩大，但IGBT的市场规模并不会因此缩小。
IGBT市场预计在2025年后仍将保持约10%的年复合增长率（CAGR），维持相对较高的增长态势。”
IGBT被选中的理由①：性价比与应用适配性
如果但从电气特性方面进行比较，SiC功率MOSFET和GaN HEMT在很多场景下都优于IGBT。降低导通损耗和开关损耗、支持更高的开关频率以及在高温环境下工作等，这些都是优于IGBT的主要优势。这些特性在电动汽车牵引逆变器和DC-DC转换器等移动出行领域尤受青睐，因为在这些应用中，小型化和轻量化能直接转化为产品的附加价值。
但是，在工业设备和电机驱动系统中，情况则有所不同。尽管在这些应用中利用SiC和GaN可实现小型化和轻量化，但这并不直接决定产品的竞争力。在很多情况下，无法证明成本增加的合理性，所以具备高性价比的IGBT便成为了更合理的选择。
表1：单位面积导通电阻的变化趋势
| 额定电压范围 | Si MOSFET | SiC MOSFET | IGBT |
|---|---|---|---|
| 低电压（200V以下） | 🔴 最低 | 🟡略高 | 🟢 高 |
| 中等额定电压（600-1200V） | 🟠 增加 | 🔴 最低 | 🟡 普通 |
| 高耐压（>3kV） | 🔴不可能 （面积过大，不现实） | 🟠技术上可行，但RDS(on)会增加 | 🟢 最低 |
- 低电压：Si MOSFET更合适。速度快且损耗低。
- 中等电压：SiC MOSFET更合适。在高频条件下也可实现低损耗，面积效率高。
- 高额定电压：IGBT更具优势。相比SiC，导通电阻更低，芯片面积效率更高。
表 2：IGBT 与 SiC功率MOSFET的性能比较
| 参数 | IGBT | SiC功率MOSFET |
|---|---|---|
| 应用情况 | 用于工业用设备及混合动力汽车（HEV）的牵引逆变器 | 用于电动汽车（EV）以及追求高效率的特定工业设备的牵引逆变器 |
| 额定电压范围 | 中～高电压（600V～6.5kV） | 中等额定电压（600V～3.3kV） |
| 开关频率 | 低～中频（数Hz～20kHz） | 中～高频（10k～50kHz，也可支持50kHz以上频段） |
| 导通损耗 | 在1200V以上的高电压范围最低 | 最小（在1200V以下的额定电压范围内） |
| 开关损耗 | 中～高（因开关频率较低，通常处于容许范围内） | 低（即使在高开关频率条件下，依然保持低损耗） |
| 可靠性和业绩 | 在汽车和工业设备领域拥有多年实际应用成果 | 属于相对较新的技术，长期可靠性数据有限 |
| 成本 | 低 | 高 |
| 设计难度 | 拥有大量现有的设计案例，栅极驱动也较为简单 | 需要对高开关频率进行优化设计（栅极驱动电路和保护电路的调整必不可少） |
| 最佳用途 | 工业用逆变器、混合动力汽车用牵引逆变器、高电压DC-DC转换器、UPS | 电动汽车（EV）用牵引逆变器、要求高效率的中等耐压DC-DC转换器 |
IGBT被选中的理由②：供应稳定性与可靠性的沉淀
除了电气性能之外，IGBT能够持续被选用还有其他原因。与SiC功率MOSFET和GaN HEMT相比，IGBT在供应稳定性方面具有显著的优势。从投入实际应用至今已过去约40年，丰富的可靠性数据和设计经验的积累，也为设计现场的工程师们提供了巨大的安心感。
在实际的设计工作中，除了电气特性外，还需要综合考量上述这些因素来选择器件。这也是为什么即便新器件层出不穷，IGBT在特定应用领域依然能够持续被采用的背景所在。
IGBT技术至今仍在持续发展中
IGBT绝非过时的器件。至今，它仍在持续改进中，性能仍有进一步提升的空间。迄今为止的主要改进包括采用“非穿通型”和“场截止型”等新器件结构、硅晶圆减薄以及沟槽栅极的微细化（间距缩小）等。通过这些改进，实现了集电极-发射极饱和电压（VCE(Sat)）的降低、电流处理能力的提升、开关损耗的减少以及短路耐受能力的增强。
ROHM的开发经理石松祐司先生表示：“IGBT的性能仍有进一步提升的空间。2026年以后推出的产品，其器件结构本身可能会发生重大变革。ROHM计划将这些技术突破陆续融入到今后的产品中。”
硅晶圆减薄和沟槽栅极的间距缩小仍有改进余地，未来市场上有非常大的可能性会推出在保持“低成本、高可靠性、高易用性”等优势的同时，性能得到进一步提高的IGBT产品。
向功率模块的拓展：TRCDRIVE pack™
在集成了多个IGBT的电源模块领域，技术也在不断发展。ROHM已经推出了具有高电流密度和优异散热特性的功率模块“TRCDRIVE pack™”。目前，可提供搭载2枚SiC功率MOSFET的二合一型产品，并计划在不久的将来扩大应用于IGBT。
图1 功率模块 TRCDRIVE pack™ 这款塑封型功率模块在保持小尺寸的同时，通过单面散热设计实现了与竞品同等的热特性。目前，ROHM提供搭载2枚SiC功率MOSFET的二合一型产品。
该模块具有两大技术特特点。第一，通过优化内部布局，更大程度地降低电感，从而减小了开关损耗。第二，尽管是单面散热结构，却实现了与竞品同等的热性能。
有两项技术为实现优异的热性能作出了贡献。一个是芯片与引线框架的连接处，采用了高温高压下进行接合的银烧结技术，从而提高了接合可靠性和功率密度。另外在模块与外部散热器的连接处采用了与Arieca公司联合开发的使用“液态金属填充弹性体（LMEE）”的低温接合技术，从而以更低的温度和压力实现了与银烧结接合同等的热阻。
图2：液态金属填充弹性体（LMEE）是一种由美国Arieca公司开发的热界面材料。具有热阻低的特点，应用于功率模块可改善热性能。
IGBT在不断发展的功率电子领域中承担的使命
虽然SiC和GaN的兴起为功率设计师提供了更多选择，但这并不意味着IGBT的使命结束。成熟的供应链、长达40年的可靠性实绩，以及持续的技术改进——这三者使得IGBT在众多系统中仍然是合理的选择。
对于那些对小型化和轻量化没有直接刚需的工业设备和电机驱动系统而言，IGBT的性价比和应用实绩，在未来的实际设计中仍将被非常看重。
TRCDRIVE pack™是ROHM Co., Ltd.的商标或注册商标。
