igb的應(yīng)用與發(fā)展

igb的應(yīng)用與發(fā)展

1關(guān)于電力器件igbt近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)快速發(fā)展，能源消耗緊張，節(jié)約能源是中國(guó)的基本政策。據(jù)報(bào)道,全球的電能消耗50%來(lái)自電動(dòng)機(jī)。當(dāng)前,在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,已經(jīng)從強(qiáng)電控制進(jìn)入弱電控制的節(jié)能時(shí)代。新型電力電子器件在該系統(tǒng)中扮演著重要的角色,它是機(jī)械自動(dòng)化、控制智能化的關(guān)鍵部件,是節(jié)約電能的新型半導(dǎo)體器件。因此,大力發(fā)展新型電力電子器件的設(shè)計(jì)制造以及模塊的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用是節(jié)約電能的重要措施。IGBT(InsulateGateBipolarTransistor)絕緣柵雙極晶體管作為新型電力電子器件的代表,是整機(jī)系統(tǒng)提高性能指標(biāo)和節(jié)能指標(biāo)的首選產(chǎn)品。它集高頻率、高電壓、大電流等優(yōu)點(diǎn)于一身,是國(guó)際上公認(rèn)的電力電子技術(shù)第三次革命的最具代表性的產(chǎn)品。IGBT主要用于逆變器、低噪音電源、UPS不間斷電源以及電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速等領(lǐng)域。IGBT的用途非常廣泛,小到變頻空調(diào)、靜音冰箱、洗衣機(jī)、電磁爐、微波爐等家用電器,大到電力機(jī)車(chē)牽引系統(tǒng)都離不開(kāi)它。IGBT在軍事機(jī)載、艦載、雷達(dá)等隨動(dòng)系統(tǒng)中也有廣泛的用途。目前,國(guó)內(nèi)IGBT產(chǎn)品依賴(lài)進(jìn)口。國(guó)外IGBT產(chǎn)品已大量生產(chǎn),而國(guó)內(nèi)IGBT還處于研制階段。與國(guó)外相比,IGBT的制造工藝技術(shù)至少落后十年,IGBT的國(guó)產(chǎn)化形勢(shì)相當(dāng)緊迫。因此,開(kāi)展IGBT的研發(fā)工作對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防工業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。2mosfinde-roIGBT是上世紀(jì)80年代初研制成功,并在其性能上,經(jīng)過(guò)幾年的不斷提高和改進(jìn),已成熟地應(yīng)用于高頻(20KHz以上)大功率領(lǐng)域。它將MOSFET的電壓控制、控制功率小、易于并聯(lián)、開(kāi)關(guān)速度高的特點(diǎn)和雙極晶體管的電流密度大、電流處理能力強(qiáng)、飽和壓降低的特點(diǎn)集中于一身,表現(xiàn)出高耐壓、大電流、高頻率等優(yōu)越的綜合性能。圖1和圖2分別是槽柵IGBT結(jié)構(gòu)和單晶片透明集電極NPT-IGBT結(jié)構(gòu),兩種都是當(dāng)今世界上流行的先進(jìn)結(jié)構(gòu)。2.1聚亞微線條工藝大規(guī)模ci目前,世界上最先進(jìn)的IGBT結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn):①NPT-IGBT和Trench-IGBT;②亞微米線條精度大規(guī)模CMOSIC工藝;③薄單晶硅片技術(shù);④背P+發(fā)射極技術(shù);⑤分層輻照技術(shù)。2.2關(guān)于igbt的應(yīng)用1982年美國(guó)RCA公司和GE公司先后發(fā)明了IGBT。設(shè)計(jì)者很巧妙地將VDMOS的N+襯底換成P+襯底,引入PN結(jié)注入機(jī)制,使高阻N-漂移區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),大大降低了導(dǎo)通電阻。在VDMOS的基礎(chǔ)上,進(jìn)行這一小的變動(dòng)就形成了MOS、雙極相結(jié)合的IGBT,導(dǎo)通電阻的降低加上MOS、雙極雙電流通道使IGBT的電流密度很高,具備了MOS和雙極的雙重優(yōu)點(diǎn)。然而,早期的IGBT還不能使用,當(dāng)時(shí)器件存在兩個(gè)主要問(wèn)題:①器件內(nèi)部寄生了PNPN晶閘管結(jié)構(gòu),使器件產(chǎn)生閉鎖效應(yīng),從而導(dǎo)致柵失去控制能力。②由于N-漂移區(qū)存在非平衡載流子的注入,在器件關(guān)斷時(shí),有一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的拖尾電流,影響了器件的開(kāi)關(guān)速度。這兩個(gè)問(wèn)題都是引入PN結(jié)注入機(jī)制所帶來(lái)的。后來(lái)經(jīng)過(guò)幾年的努力,從結(jié)構(gòu)和工藝上采用了以下技術(shù):①P阱區(qū)兩步擴(kuò)散技術(shù);②加入N+緩沖層技術(shù);③N-漂移區(qū)少子壽命控制技術(shù);④元胞設(shè)計(jì)技術(shù)。采用以上技術(shù)后,解決了上述問(wèn)題。1986年,IGBT得到了真正的應(yīng)用。此后,為了進(jìn)一步改善IGBT的性能,提高IGBT的電流容量、功率容量和開(kāi)關(guān)速度,降低IGBT的通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗,人們一直致力于改善IGBT兩個(gè)重要的、相互矛盾的參數(shù),即通態(tài)壓降Vce(sat)和關(guān)斷時(shí)間toff。從IGBT結(jié)構(gòu)的三個(gè)組成部分:MOS結(jié)構(gòu)、N-基區(qū)(包括N+緩沖層)和P+集電區(qū)進(jìn)行不斷改進(jìn),并以Vce(sat)和toff為標(biāo)志形成了幾代產(chǎn)品(見(jiàn)表1)。2.3igbt-ipm1996年西門(mén)子公司(現(xiàn)Infineon公司)率先推出1200V的NPT(非穿通型)-IGBT后,于1999年推出600V/50A的NPT-IGBT,其通態(tài)壓降為2.1V。關(guān)斷時(shí)間為30ns,NPT-IGBT的出現(xiàn)是功率場(chǎng)控器件技術(shù)上的重大突破。1998年日本公司推出600VTrench(溝槽柵)——IGBT,其典型通態(tài)壓降1.8V,關(guān)斷時(shí)間0.15μs。1998年由日本人提出SDB(硅片直接鍵合)——IGBT,隨后美國(guó)飛兆半導(dǎo)體公司(Fairchildsemiconductor)推出小功率SDB-IGBT投放市場(chǎng)。1999年IXYS公司推出了1600V/40ACS(集電極短路)——IGBT,其關(guān)斷時(shí)間小于200ns。近年來(lái),美國(guó)飛兆半導(dǎo)體公司又推出1000V/60ANPT-Trench-IGBT,其通態(tài)壓降2.5V,關(guān)斷時(shí)間130ns,專(zhuān)為IH電飯煲、電磁爐、微波爐應(yīng)用而設(shè)計(jì),滿足最新的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)?？焖買(mǎi)GBT已應(yīng)用到了150KHz～180KHz的頻率范圍(如美國(guó)Intesil公司的SMPSIGBT系列和IR公司的WARPZTMIGBT系列)。IGBT模塊的研究也很活躍,IGBT模塊多以超大功率IGBT模塊和IGBT-IPM智能功率模塊為主。IGBT-IPM是以IGBT芯片為基體內(nèi)含接口、傳感、保護(hù)和功率控制等功能電路的智能功率模塊,其外型封裝及單元電路分別見(jiàn)圖3和圖4。1993年德國(guó)EUPEC公司推出3200V/1300A的IGBT模塊,它是多個(gè)IGBT芯片串聯(lián)加并聯(lián)組成的。1996年日本東芝公司推出了2500V/1000A的IGBT模塊具有同大功率晶閘管、GTO管相同的平板壓接式封裝結(jié)構(gòu)。該模塊由24個(gè)2500V/80A的IGBT芯片并聯(lián)而成,還有16個(gè)2500V/100A的超快恢復(fù)二極管(FRED)芯片與之反并聯(lián)(續(xù)流二極管)。此后,東芝公司又開(kāi)發(fā)了1700V/1200A、工作頻率40KHz,并具有驅(qū)動(dòng)電路和過(guò)流、過(guò)載、短路、柵極欠壓等保護(hù)電路的IGBT-IPM。近年來(lái),國(guó)外又有2000V/600A的IGBT-IPM已用于電力機(jī)車(chē)VVVF逆變器中。日本三菱公司開(kāi)發(fā)第五代IGBT硅片技術(shù),推出應(yīng)用于變頻空調(diào)、靜音冰箱、洗衣機(jī)等家電中的IGBT-IPM,以高性能產(chǎn)品來(lái)滿足變頻家電最新的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求。目前,IGBT的單片水平已達(dá)到80A/4500V、模塊水平達(dá)到1800A/4500V、工作頻率達(dá)到150KHz。技術(shù)上發(fā)展到第五代,這一代IGBT的技術(shù)特點(diǎn)是NPT槽柵結(jié)構(gòu),采用了亞微米微細(xì)加工技術(shù)、薄單晶硅片技術(shù)、背P+層透明發(fā)射極技術(shù)和分層輻照技術(shù)。IGBT未來(lái)的發(fā)展方向有兩個(gè),一是超大功率、智能化IGBT模塊;二是快速I(mǎi)GBT。IGBT的迅速發(fā)展促進(jìn)了智能功率模塊IPM(IntelligentPowerModule)的發(fā)展。目前,IGBT-IPM已發(fā)展到把MPU和PWM等控制電路也集成進(jìn)來(lái)的第三代產(chǎn)品。IPM的發(fā)展趨勢(shì)是功率容量更大、開(kāi)關(guān)頻率更高、控制及保護(hù)等電路的性能更好、功能更全。2.4igbt產(chǎn)品的研究由于設(shè)備及工藝水平等因素的影響,國(guó)內(nèi)IGBT還處于研制階段。1997年西安電力電子技術(shù)研究所研制出1050V/20A的PT-IGBT樣品,并對(duì)少子壽命控制技術(shù)進(jìn)行了較深入的研究。2000年電子科技大學(xué)微電子所研制出1200V/20ASDB-IGBT的樣品。2001年北京工業(yè)大學(xué)對(duì)NPT-IGBT進(jìn)行了深入研究。該項(xiàng)研究是把N+擴(kuò)散層做緩沖層加入NPT-IGBT結(jié)構(gòu)中,背P+集電區(qū)是采用硼離子注入形成的濃度不高,淺結(jié)(約5μm)的透明集電極,這與國(guó)外NPT技術(shù)相同。并對(duì)新結(jié)構(gòu)IGBT進(jìn)行了仿真。2004年西安交通大學(xué)對(duì)NPT-Trench-IGBT工藝進(jìn)行了創(chuàng)新性研究。該項(xiàng)研究是采用全自對(duì)準(zhǔn)槽柵工藝,大規(guī)模集成電路的LDD工藝,只用2塊掩模完成器件制作,該技術(shù)已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司47所、24所也進(jìn)行了深入的研究。我國(guó)對(duì)IGBT的研究始于上世紀(jì)90年代初,研究單位多數(shù)是大學(xué)。目前,國(guó)內(nèi)還沒(méi)有商品化的IGBT投入市場(chǎng),研制開(kāi)發(fā)工作比較漫長(zhǎng)。3區(qū)域需求和發(fā)展趨勢(shì)3.1igbt在軍事上的應(yīng)用IGBT的性能極其優(yōu)越,在電子系統(tǒng)中,采用IGBT或IGBT-IPM技術(shù)后,可使整機(jī)的性能及可靠性顯著提高。IGBT在軍事領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。機(jī)載、艦載、雷達(dá)等隨動(dòng)系統(tǒng)和自動(dòng)定位系統(tǒng)中的侍服電機(jī)驅(qū)動(dòng)用IGBT-IPM,其性能規(guī)格600V/30～60A;在軍事機(jī)載、星載電源系統(tǒng)中的DC/DC變換器用IGBT單管,其性能規(guī)格400V/80～120A;在大功率領(lǐng)域,艦艇上導(dǎo)彈發(fā)射裝置控制用IGBT-IPM等。3.2采集模塊采用igbt、頻率、模塊、硅片等多管自適應(yīng)的變頻裝置、復(fù)合系統(tǒng)和模塊IGBT在民品市場(chǎng)具有更加廣泛的應(yīng)用。電磁感應(yīng)加熱用IGBT:在IH電飯煲、電磁爐、微波爐的電磁感應(yīng)加熱電路中,采用IGBT單管,其性能規(guī)格600～1500V/40～80A,如美國(guó)飛兆半導(dǎo)體公司最新推出的1000V/60ANPT-Trench-IGBT,其通態(tài)壓降2.5V,關(guān)斷時(shí)間130ns,專(zhuān)門(mén)投放中國(guó)市場(chǎng)。頻閃觀測(cè)器用IGBT:在照相機(jī)頻閃觀測(cè)器電路中,也采用IGBT單管,其性能規(guī)格400V/60～80A,如日本東芝公司生產(chǎn)的GT20G101系列產(chǎn)品。變頻器用IGBT:在變頻空調(diào)、靜音冰箱、洗衣機(jī)等家電的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,采用IGBT-IPM。每個(gè)模塊含有6個(gè)IGBT芯片,其性能規(guī)格600V/15～50A。如美國(guó)飛兆、日本富士公司分別推出的Motion-IPM系列和R系列產(chǎn)品投入市場(chǎng)。日本三菱公司開(kāi)發(fā)第五代IGBT硅片技術(shù),以高性能產(chǎn)品來(lái)滿足變頻家電最新的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求。逆變器用IGBT:在節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器中,采用小功率單管IGBT,其性能規(guī)格600V/5～10A;在電力機(jī)車(chē)VVVF逆變器中,采用大功率IGBT-IPM,其性能規(guī)格2000V/600A。此外,IGBT及IGBT-IPM在通訊電源、UPS不間斷電源及電焊機(jī)中也有廣泛的應(yīng)用。3.3電力器件市場(chǎng)步入21世紀(jì),全球電力電子器件市場(chǎng)呈現(xiàn)快速發(fā)展的勢(shì)頭,特別是我國(guó)隨著近年國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和對(duì)電力電子器件需求的不斷增加,市場(chǎng)總規(guī)模日益膨脹?！笆濉逼陂g電力電子器件年平均增長(zhǎng)速度超過(guò)20%,2005年市場(chǎng)銷(xiāo)售額超過(guò)200億元。而其中的高科技產(chǎn)品IGBT等新型電力電子器件年平均增長(zhǎng)率超過(guò)30%。2005年,國(guó)內(nèi)IGBT市場(chǎng)超過(guò)5億只。預(yù)計(jì)“十一五”期間IGBT的市場(chǎng)年平均增長(zhǎng)率也將保持30%以上。3.4產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益600V/50AIGBT廣泛用于民用變頻空調(diào)、靜音冰箱、洗衣機(jī)等家電的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和軍用機(jī)載、艦載、雷達(dá)等隨動(dòng)系統(tǒng)和自動(dòng)定位系統(tǒng)中。該產(chǎn)品的市場(chǎng)前景很好,變頻家電在國(guó)內(nèi)的銷(xiāo)售異常火熱,每臺(tái)家電的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用