自1982年由通用電氣(GE)首次展示以來，基于硅材料的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)在過去四十余年間經(jīng)歷了顯著進(jìn)化。雖然GE最早實(shí)現(xiàn)了IGBT的商業(yè)化，但東芝公司通過解決閂鎖效應(yīng)問題，大幅拓展了這一功率器件的商業(yè)應(yīng)用版圖。隨后，眾多廠商的加入推動(dòng)該器件在電力轉(zhuǎn)換和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。時(shí)至今日，全球已有約20家主要供應(yīng)商，市場(chǎng)規(guī)模從最初的數(shù)百萬美元擴(kuò)展至數(shù)十億美元。

在數(shù)十年發(fā)展歷程中，IGBT在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、封裝工藝和熱管理技術(shù)方面持續(xù)革新，電流電壓等級(jí)和可靠性不斷提升。其擊穿電壓已從600V擴(kuò)展至6,500V，電流承載能力也從10A躍升至2,000A以上。如今，IGBT已成為電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車，以及消費(fèi)和工業(yè)領(lǐng)域各類電機(jī)的核心功率器件。

從醫(yī)院的X光機(jī)、CT掃描儀、MRI設(shè)備，到家用微波爐、電磁爐，從建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)到便攜式除顫器，IGBT技術(shù)不僅大幅降低能耗，更確保了關(guān)鍵醫(yī)療設(shè)備的安全運(yùn)行——據(jù)統(tǒng)計(jì)，基于IGBT的除顫器每年在全球挽救的生命不計(jì)其數(shù)。現(xiàn)代IGBT的性能提升使得基于該技術(shù)的變流器和逆變器幾乎主導(dǎo)了所有1kW至10MW功率等級(jí)的重要應(yīng)用。

碳化硅技術(shù)應(yīng)用浪潮

然而，硅基IGBT并非萬能解決方案。隨著碳化硅(SiC)材料的成熟，新一代器件應(yīng)運(yùn)而生。在固態(tài)變壓器(SST)、高壓直流變流器，以及要求10kV以上耐壓、大電流承載能力并需高頻開關(guān)的軍工和工業(yè)中高壓應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)硅基器件已顯乏力。

十余年來，SiC技術(shù)持續(xù)突破功率MOSFET和二極管的性能極限，為電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)樹立新標(biāo)桿，實(shí)現(xiàn)了硅基器件難以企及的關(guān)鍵應(yīng)用。據(jù)行業(yè)分析預(yù)測(cè)，SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)已攀升至數(shù)十億美元規(guī)模，并保持強(qiáng)勁增長(zhǎng)。權(quán)威市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Yole Group最新報(bào)告顯示，到2029年SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)100億美元，2023至2029年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)24%。

與MOSFET的發(fā)展軌跡相似，IGBT必須借助寬禁帶半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)性能突破和應(yīng)用拓展。在此背景下，科研機(jī)構(gòu)與領(lǐng)先廠商已開啟從硅基向碳化硅基IGBT的轉(zhuǎn)型之路。北卡羅萊納州立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系Duke Energy杰出教授Subhashish Bhattacharya，作為FREEDM系統(tǒng)工程研究中心和PowerAmerica研究所的創(chuàng)始成員，十余年來帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)持續(xù)研究科銳(現(xiàn)Wolfspeed)提供的碳化硅IGBT樣品性能。其團(tuán)隊(duì)在美國(guó)能源部先進(jìn)能源研究計(jì)劃署(ARPA-E)資助下，自2010年起對(duì)科銳制造的15kV SiC IGBT(圖1)展開特性研究，不僅完成了與10kV SiC MOSFET的性能對(duì)比，更成功開發(fā)出完整的中壓固態(tài)變壓器系統(tǒng)。

在2013年丹佛IEEE能源轉(zhuǎn)換大會(huì)發(fā)表的論文中，研究團(tuán)隊(duì)首次披露了15kV/20A n型IGBT的開關(guān)特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)器件工作電壓達(dá)到11kV時(shí)，其開關(guān)瞬態(tài)表現(xiàn)創(chuàng)下單芯片功率半導(dǎo)體器件的最高測(cè)試記錄。論文通過詳實(shí)的損耗-電壓-電流-溫度關(guān)系分析，揭示了SiC IGBT相較于MOSFET的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)(表1)。研究表明，這種超高壓阻斷能力使15kV SiC IGBT成為中壓智能電網(wǎng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的革命性選擇，能夠?qū)?fù)雜的多電平拓?fù)浜?jiǎn)化為兩電平架構(gòu)，顯著降低系統(tǒng)復(fù)雜度并提升可靠性。

未來應(yīng)用與挑戰(zhàn)

當(dāng)前，Bhattacharya團(tuán)隊(duì)正致力于20kV及以上等級(jí)SiC IGBT的海軍和國(guó)防應(yīng)用研究。在艦船綜合電力系統(tǒng)領(lǐng)域，碳化硅器件的高功率密度和耐高溫特性可顯著提升推進(jìn)系統(tǒng)和武器平臺(tái)的能效比。智能電網(wǎng)方面，15kV SiC IGBT使直流變壓器可直接連接中壓配網(wǎng)，省去傳統(tǒng)多級(jí)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，系統(tǒng)損耗預(yù)計(jì)可降低30%以上。

然而技術(shù)突破仍面臨多重挑戰(zhàn)：首先，SiC襯底缺陷密度控制需要突破，當(dāng)前0.5-1 cm2/V·s的載流子遷移率與理論值(>2000 cm2/V·s)存在數(shù)量級(jí)差距;其次，雙極型器件的載流子壽命提升遭遇瓶頸，科銳最新工藝雖將壽命延長(zhǎng)至2μs，但距10μs的實(shí)用化目標(biāo)仍有距離;再者，高壓封裝技術(shù)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，15kV器件的爬電距離設(shè)計(jì)需突破傳統(tǒng)模塊封裝極限，多層陶瓷基板與三維互連技術(shù)成為攻關(guān)重點(diǎn)。

市場(chǎng)層面，根據(jù)Strategy Analytics預(yù)測(cè)，到2026年SiC IGBT成本有望降至硅基IGBT的1.8倍，屆時(shí)將在軌道交通、風(fēng)電變流器等市場(chǎng)迎來爆發(fā)點(diǎn)。值得注意的是，中國(guó)廠商正加速布局：中車時(shí)代電氣已發(fā)布10kV SiC IGBT工程樣品，泰科天潤(rùn)建成國(guó)內(nèi)首條6英寸SiC晶圓產(chǎn)線。未來五年，隨著材料制備、芯片工藝和封裝技術(shù)的協(xié)同突破，SiC IGBT將開啟電力電子新紀(jì)元，推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)、超高壓直流輸電等戰(zhàn)略領(lǐng)域跨越式發(fā)展。