一文阐述IGBT持续获得广泛采用的原因

尽管宽禁带技术正在崛起，但传统的功率电子器件仍在持续进化并被广泛应用。凭借其出色的性价比、稳定的供应以及经过实际验证的可靠性，在小型化和轻量化无法带来较大附加值的应用场景中，一直是非常实用的选项。

碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率器件在高效率、高温及小型化应用中性能表现优异，氧化镓（Ga₂O₃）和金刚石等材料研发也取得了显著进展。尽管已经取得了很多进步，不过还有许多系统仍需持续依赖硅功率电子技术，特别是绝缘栅双极晶体管（IGBT）。

本文将阐述IGBT持续获得广泛采用的原因。将从成本与供应考量、既有可靠性数据的价值、以及宽禁带半导体优势在系统层面仅能提供有限益处的应用场景种类等方面进行探讨。另外还会简要介绍在IGBT性能的持续改进和扩展。

高性价比和供应稳定性备受好评

如今，功率元器件所受到的关注度已达到前所未有的高度。主要原因在于SiC和GaN功率器件等新一代功率器件的问世。另外，关于Ga₂O₃和金刚石功率器件等新一代功率器件的研发不断取得进展，其实用化前景备受期待，这也进一步助推了市场关注度的提升。

然而，下一代及下下代功率器件的面世，并不意味着电子设备设计工程师会全面采用这些产品。他们只是合理地选择能够将目标应用产品的价值最大化的功率器件。如果判断现有硅（Si）功率器件能使应用产品的价值最大化，那么他们将会继续采用Si功率MOSFET和IGBT。

实际上，基于这一判断而选择继续使用IGBT的应用场景并不少见。半导体领域全球知名制造商ROHM表示，“不仅在日本，海外市场对IGBT的关注度也在迅速提高”。这种关注度快速上升的原因在于，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）以及光伏逆变器等领域对IGBT需求量的持续扩大。ROHM的报告中显示，这些应用领域的制造商咨询量显著增加，产品销量正保持稳步上升态势。

半导体分析师Grossberg・大山聪先生也持相同观点：“SiC功率MOSFET和GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）市场未来将持续扩大，但IGBT市场规模不会萎缩。”预计IGBT市场在2025年后仍将保持约10%的年均复合增长率（CAGR），呈较快增长趋势。

最合适的功率器件选型并非仅由电气特性决定

那么，电子设计工程师在应用产品中采用IGBT时最重视的特性是什么？

在电气特性方面，竞品SiC功率MOSFET和GaN HEMT器件在很多方面的表现会优于IGBT（表1和表2）。具体而言，比如导通损耗和开关损耗的降低、高速工作能力（实现高开关频率）、高温工作能力等优势。

因此，将这些优势运用到应用产品中可带来诸多好处：延长电池续航时间、降低电池容量要求、实现更小型轻量的电路、减少发热量等。这些优势在移动应用领域的价值尤为显著。最终，SiC功率MOSFET和GaN HEMT器件主要在电动汽车牵引逆变器和DC-DC转换器等应用领域得以快速普及。

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）	◎ 最低	○ 略高	△ 高
中等电压额定（600～1200V）	△ 提高趋势	◎ 最低	○ 一般
高耐压能力（超过3kV）	× 不可能 （面积过大，不具有实用性）	△ 技术上可行，但会导致RDS(on)上升	◎ 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。高频条件下仍保持低损耗，面积效率优。

高电压额定：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	用于工业设备及混合动力汽车（HEV）的牵引逆变器	用于电动汽车（EV）及部分需要高效率的工业设备的牵引逆变器
额定电压范围	中～高电压（600V～6.5kV）	中等电压额定（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）
传导损耗	在1200V以上的高电压范围最低	最低（额定电压1200V以下时）
开关损耗	中～高（因开关频率较低，因此通常处于容许范围内）	低（即使在高开关频率下仍能维持低开关损耗）
可靠性和业绩	汽车和工业设备领域的长期实际应用业绩	较新的技术，其长期可靠性数据有限
成本	低	高
设计难度	已有大量设计案例；简单的栅极驱动	需针对高开关频率进行优化设计（必须调整栅极驱动电路和保护电路）
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	电动汽车驱动用逆变器，需要高效率的中等电压DC-DC转换器

但是，从另一角度来看，在难以实现这些优势的应用场景中，采用SiC功率MOSFET或GaN HEMT器件并不具备决定性理由。具体而言，是这类应用场景并不以小型化和轻量化为首要考量因素。

具有代表性的示例包括工业设备和电机驱动系统。在这些应用中，即使通过采用SiC功率MOSFET或GaN HEMT实现了小型化和轻量化，也不能转化为足以显著提高销售额的附加值。因此，设计者通常不会为采用SiC功率MOSFET或GaN HEMT带来的成本增加买单。换言之，电子设备设计工程师会基于出色的性价比优势而选择IGBT。

除此之外，还存在仅凭电气性能无法定义的“采用IGBT的理由”。例如，与SiC功率MOSFET和GaN HEMT相比，IGBT的供应稳定性明显更高。此外，IGBT自实现实用应用以来已历经约40年，拥有丰富的可靠性数据及长期应用所积累的实践经验。

在实际的电子设备设计中，电力器件的选型不仅需要考量电气特性，更需要综合评估上述各种要素。因此，即使新电力电子器件不断涌现，在特定应用场景中IGBT仍被持续采用。

IGBT技术的持续演进

此外，IGBT绝非过时的功率器件，而是一直到进步。也就是说，其性能提升仍有充分的空间。

IGBT的性能通过元器件层面和工艺层面的双重改进，已得到显著提升。例如，采用“非穿通”和“场截止”等新器件结构、硅晶圆减薄、以及沟槽栅微缩（间距缩小）等方面的改进。最终，IGBT实现了集电极-发射极饱和电压（VCE(Sat)[1.1]）降低、电流容量增加、开关频率提高（开关损耗减少）以及短路耐受能力增强。

然而，在硅晶圆减薄和沟槽栅间距微缩方面，仍存在改善余地。ROHM开发部部长石松祐司表示：“IGBT的性能提升仍存在潜在空间。2026年以后推出的产品，其器件结构本身很可能会迎来重大变革。我们会逐步将这些技术发展融入到产品中。”

未来，在保持“较低成本”、“高可靠性”和“高实用性”等优势的同时，性能得到进一步提升的IGBT产品被投入市场的可能性很大。

在内置多个IGBT的功率模块领域，仍有望实现进一步技术突破。目前，ROHM已推出的功率模块“TRCDRIVE packTM”，具有高电流密度和出色的散热特性[2.1]（图1）。目前所采用的功率器件，是ROHM第4代SiC功率MOSFET。

功率模块 TRCDRIVE packTM：虽尺寸小巧，却通过单面散热设计实现与竞品同等散热性能的封装型功率模块。目前供应的是内置2枚ROHM第4代SiC功率MOSFET的二合一型模块。

本功率模块具有两大特点：第一，通过优化内部布局，将电感降至更低，从而降低了开关损耗；第二，虽采用单面散热设计，仍以小巧尺寸实现了与竞品同等的散热性能。

在安装方法上，采用了银（Ag）烧结技术，通过高温高压将模块内部芯片（功率器件）与引线框架进行接合。这既提高了接合可靠性，又提高了功率密度。

ROHM计划在不久的将来将这项技术也应用于IGBT。

此外，在模块与外部散热器的接合部位，ROHM与 Arieca 公司联合研发出采用了液态金属填充弹性体（LMEE）的低温接合技术。该技术不仅实现了与银烧结接合技术同等的热阻，还可在更低温度和压力条件下完成接合。这在提高散热效率的同时，更大程度地提升了模块的电气性能。

液态金属填充弹性体（LMEE）是美国Arieca公司推出的热界面材料。具有低热阻特性，应用于功率模块可提升其散热性能。

电力电子技术演进中的可靠选项

宽禁带器件为电源设计者提供了更多的选择，同时，IGBT凭借其出色的可靠性和成本效益优势，依然是众多系统的优选方案。其成熟的供应链、稳定的可靠性以及持续的技术改进，即使是在SiC和GaN的优势仅能提供有限的附加值的应用场景中，IGBT依然保持着作为实用解决方案的地位。