首先，让我们从半导体历史中回顾一下IGBT的诞生历程。

 IGBT元器件诞生的技术背景

放大功能是这个晶体三极管的主要功能。其中关键之处在于塑料三角形与锗块接触的这一小的区域。这是全球第一个“锗”晶体管，也是全球第一个半导体点接触式晶体管。

从上文中我们知道由半导体的载流子输运理论建立到1947年12月世界上第一只晶体管被创造，再经过半导体晶体管一系列的演化，一直到80年代初巴利伽发明IGBT，半导体发展经历了不断的理论更迭及技术演变。那么，究竟什么是功率半导体呢，IGBT又属于其中的哪一类呢？

功率半导体的分类及其应用场景

功率半导体器件(PowerElectronicDevice)又称为电力电子器件和功率电子器件,是指可直接用于处理电能的主电路中实现电能的变换或控制的电子器件,其作用主要分为功率转换、功率放大、功率开关、线路保护和整流等。功率半导体大致可分为功率半导体分立器件(PowerDiscrete)(包括功率模块)和功率半导体集成电路(PowerIC)两大类。按照器件结构,现有的功率半导体分立器件可分二极管、功率晶体管、晶闸管等,其中功率晶体管分为双极性结型晶体管(BJT)、结型场效应晶体管(JFET)、金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。

由于功率器件是电力电子应用装备的基础和核心,因此，主要用于电力电子设备的整流、稳压、开关、变频等,其应用最为广泛的四个行业分别是计算机与外设、无线通讯，汽车电子，指示灯与显示屏,并泛延应用于几乎所有的电子制造业。其中包括传统应用领域如消费电子、网络通信、工业电机等,但是，目前功率半导体的应用领域已从工业为主慢慢拓展至新能源，消费电子，轨道交通等诸多领域，并逐渐应用于新能源汽车及充电系统、轨道交通、智能电网、新能源发电、航空航天及武器装备等新兴领域。

随着技术的进步与功率半导体器件的不断演进，自上世纪80年代起，在下游市场中，功率半导体器件MOSFET、IGBT和功率集成电路逐步成为了主流应用器件。

据英飞凌公布的数据,2020年全球功率器件市场规模为209亿美元,其中功率MOSFET市场规模为81亿美元,占比达39%;IGBT市场规模为66亿美元,占比32%;两者占据了功率分立器件的大部分市场。

功率半导体分类：

根据对电路信号的可控性,功率器件可以分为分为三类:不可控型、部分可控型和完全可控型。

(1)不可控型功率器件主要是功率二极管,一般为两端器件,二极管的开通和关断都不能通过器件本身进行控制;

(2)部分可控型功率器件主要是晶闸管及其派生器件,这类器件一般为三段器件,开通可控而关断不可控;

(3)完全可控型器件以MOSFET,IGBT, GJT为主,其控制端不仅可以控制开通,也能控制关断。

根据驱动形式分类,功率器件可以分为三类:

电流驱动型、电压驱动型和光驱动型。

(1)电流驱动型功率器件有SCR、BJT、GTO等,需要足够电流才可导通或关断;

(2)电压驱动型有IGBT、MOSFET等,需要特定电压以及很小的电流进行导通或关闭,这类器件驱动功率很小且驱动电路比较简单;

(3)光驱动型有光控晶闸管等,开关通过光纤和专用光发射器来控制。

IGBT元器件的工作原理

通过上文的介绍，我们了解了IGBT的一些初步知识，那么，做为功率半导体中的一员，IGBT的工作原理是什么，它的优势及应用领域是哪些呢？

IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor),即绝缘栅双极型晶体管,是能源变换与传输的核心器件,被称为电力电子装置的“CPU”

IGBT由BJT(双极型三极管)和MOSFET(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式半导体功率器件.

它既有MOSFET的开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小的优点;又有BJT导通电压低、通态电流大、损耗小的优点,能够根据信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等,以实现精准调控的目的。在高压、大电流、高速等方面的优势是其他功率器件不能比拟的,是电力电子领域较为理想的开关器件,也是未来应用发展的主要方向。

具体来说，IGBT是以GTR为主导元件,MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件,同时集合了BJT(双极型三极管)大电流、低导通以及MOS(绝缘栅型场效应管)的电压激励特性。

IGBT由栅极（G）、发射极（E）和集电极（C）三个极控制。

IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。

目前，IGBT已形成全系列产品，正广泛应用于小体积、低噪声、高性能、低成本、工作环境恶劣、电网电压波动大的电子设备。

这其中，不同电压级别的IGBT应用的场景也各不相同。

按照工作环境的电压划分,IGBT可以分为低压(600V以下)、中压(600V-1200V)、高压(1700V-6500V)。

600V及以下的IGBT产品一般应用在低压家用电器(变频空调、洗衣机等)、消费电子、小型逆变焊机等领域;

1200V的IGBT一般应用于高压家用电器(电磁炉等)、光伏逆变器、电焊机等领域;风电变流器中的IGBT一般在1700V的环境中工作;

3300V/6500V的超高压IGBT一般用于动车、高铁、国家电网、智能电网等领域。

而根据封装方式,IGBT又可以分为IGBT单管和IGBT模块两大类。

IGBT单管是由单颗IGBT裸片DIE封装而成的IGBT分立器件,封装对应电流能力较小,适用于消费、工业家电领域。

IGBT模块包含:

(1)普通IGBT模块由多颗DIE并联封装而成的,功率更大、散热能力更强,适用于高压大功率平台,例如新能源汽车、主流光伏、高铁、电力传输等场合;

(2)功率集成模块PIM(Power IntegratedModule)将二极管整流模块与IGBT模块集成在同一模块上,能提高电路的功率密度,减少连线产生的分布电感;

(3)智能功率模块IPM(Intelligent PowerModule)将门极驱动及保护功能(过热、过压、过流、欠压等保护功能)、温度检测IPM和IGBT模块集成在一起,

具有开关速度快、损耗小、功耗低、有多种保护功能、抗干扰能力强、无须采取防静电措施、体积小等优点。

因此，其发展方向可总结为：

复合功率模块PIM ➡  智能功率模块➡ IPM电力电子积木PEBB     ➡ 电力模块IPEM。

IGBT元器件发展经理的五个时期

从上世纪80年代至今,IGBT经历了7代更替。（由于篇幅所限，这里不再展开叙述）

历代IGBT发展的趋势是降低损耗和生产成本,衬底从平面穿通型（PT）到NPT非穿通再到沟槽型电场—截止型（FS-Trench），栅极从平面到Trench沟槽再到到第七代的精细Trench沟槽,随着技术的升级,芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、通态功耗、关断时间、开关功耗均不断减小，断态电压也从600V 提高到6,500V 以上。

到目前为止IGBT 元器件的发展已经经历了五个时期：

IGBT应用领域

由于IGBT具有将MOSFET和GTR的优点集于一身的特殊优势：既有输入阻抗高、速度快，热稳定性好，电压驱动；又有通态压降低，可以向高电压、大电流方向发展的综合优势。它将直流电压逆变成频率可调的交流电，具有阴极，阳极，和控制极。接通的时候存在很小的电阻，它能耐受超高电压，薄如纸张的IGBT芯片能承受的电压最高可达6500V，指甲盖大小的IGBT芯片能流过约200A的电流!

IGBT不仅能够处理和传导中至超高电压和大电流，且拥有非常高的栅极绝缘特性，并且在电流传导过程中产生非常低的正向压降，哪怕浪涌电压出现时，IGBT的运行也不会受到干扰。因此IGBT具有导通电阻小、开关速度快、工作频率高等特点,可以在各种电路中提高功率转换、传送和控制的效率,实现节约能源、提高工业控制水平的目的,广泛应用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子、新能源发电、新能源汽车等领域。其中电动车成为驱动IGBT需求的主要动力。

从最新行业报告中，我们了解到：2020年IGBT模块全球应用占比中,工业控制占比33.5%,是目前IGBT最大的应用领域,其中，新能源汽车占比14.2%。可以推断，未来汽车电动化、智能化将推动车规级IGBT成为增长最快的细分领域。