IGBT单管和模块的对比和分析

最近很多朋友和我聊到IGBT单管和模块的区别，优缺点对比等。本人从事电力电子产品研发十几年有余，对单管和模块都有一定的应用，开发过的产品包括工频塔式机UPS、500KW光伏逆变器、模块化UPS、充电模块等，结合实际工作中经常和功率半导体厂家、业界的诸多逆变器硬件工程师交流，对单管和模块进行简单的总结，希望对大家的IGBT设计选型和逆变器选型有所帮助。

IGBT全称绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor），其生产工艺主要包括晶体管材料的生长、切割、清洗、制备、封装和测试等步骤，大家有兴趣可以对其中的每一个生产环节进行深入了解。下面从以下几个方面对单管和模块IGBT进行对比分析。

一、IGBT单管和模块制成过程

单管和模块都经历晶体管材料的生长、切割、清洗、制备过程，二者区别主要是在封测，IGBT单管是将IGBT晶圆芯片封装在一个独立的封装中，常见的封装类型包括TO-220、TO-247等。IGBT模块是将多个IGBT晶圆芯片、二极管晶圆芯片等封装在一起的模块化设备，内部的IGBT晶圆芯片并联工作，本质上也是多个IGBT单管并联。

在IGBT模块生产时，IGBT厂家会将同批次的晶圆并联在一起组成模块。而一般IGBT厂家出货给逆变器厂家的单管IGBT一般也是同批次晶圆，IGBT单管用户在使用过程中工艺中也会明确要求同厂家同批次并联。因此从并联角度来看，二者本质上没有区别。之前很多朋友提到模块一致性要比单管一致性好，其说法并不正确。

IGBT厂家单管和模块出货情况

来自英飞凌官网的数据，2021年单管销售额约为模块销售额的1/2，其中模块主要销售来源于大功率塔式机应用，功率在200KVA以上。在200KVA以下，越来越多用户选择使用单管方案。从发货量来对比，IGBT单管的出货量远大于IGBT模块。

单管从2010光伏行业开始大规模使用，如今在UPS、充电模块、光伏、OBC、电驱领域，基本以单管IGBT为主。业界主要风电变流器厂家禾望电气，最近推出的逆变器已采用6个IGBT单管进行并联，单模块功率达到300Kvar。

深圳诸多逆变器厂家如华为、维谛、科华、英威腾、禾望等，一般模块功率小于200KW基本使用单管IGBT方案，大功率塔式机一般沿用IGBT模块方案。

从近几年的出货数据来看，IGBT单管的应用会越来越广泛。

不用领域应用现状

在技术竞争比较激烈的电力电子行业，如光伏逆变器、UPS、充电模块等领域，在2014年以后很多新产品开始使用IGBT单管方案。在一些细分领域如APF/SVG、非标定制电源等，开始逐渐意识到单管的优势，尤其是在功率密度、供货方面，单管具有天然的优势。

为什么单管IGBT得到越来越多用户的青睐，我认为主要有以下几个方面，首先是供货问题，新冠疫情给很多厂家带来的最大困难是IC买不到的问题，IGBT模块同样如此，由于其供货厂家有限、封装兼容性不强，导致很多逆变器厂家IGBT模块买不到，导致不能发货。对比起来，IGBT单管供货厂家有几十甚至上百家，封装完全兼容，不存在供货问题，而且替代起来不需要改板，这一点为逆变器厂家替代带来了极大的便利。

其次单管IGBT容量越来越大，近两年的IGBT单管247-plus封装，基本已经做到650V/100A以上，采用交错3*3并联方案，功率基本可以达到300A，因此对于单模块小于300A功率段的逆变器，采用单管方案很容易实现。

第三点我认为是单管IGBT体积小，有利于产品系统方案和结构设计，拓扑选用灵活，不同特性的IGBT搭配起来方便，能够帮助提升效率和功率密度。以华为最新一代模块化UPS为例，高度3U，功率已经做到125KW，可以过载150% 1分钟，全部采用单管IGBT或MOS方案

可靠性对比

逆变器可靠性本质上并不取决于IGBT采用了单管还是模块方案，从并联均流、防护性

等角度二者无本质差异，逆变器可靠性更依赖于设计者设计能力、经验等，特斯拉电动车设计之初电驱就采用SIC mos多管并联方案，其产品是电动车领域最为可靠的产品。

因此简单的采用模块和单管来对比逆变器的可靠性，并不客观。

总 结：

笔者认为逆变器设计选型采用模块还是单管主要取决于功率段，大于200K以上逆变器，如果技术积累不足，建议采用模块IGBT方案。小于200K功率逆变器，建议采用单管IGBT方案，无论从功率密度、产品性能等方面更具有优势。

审核编辑 黄宇