盡管寬禁帶技術正在崛起，但傳統的功率電子器件仍在持續進化并被廣泛應用。憑借其出色的性價比、穩定的供應以及經過實際驗證的可靠性，在小型化和輕量化無法帶來較大附加值的應用場景中，一直是非常實用的選項。

碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）功率器件在高效率、高溫及小型化應用中性能表現優異，氧化鎵（Ga?O?）和金剛石等材料研發也取得了顯著進展。盡管已經取得了很多進步，不過還有許多系統仍需持續依賴硅功率電子技術，特別是絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。

本文將闡述IGBT持續獲得廣泛采用的原因。將從成本與供應考量、既有可靠性數據的價值、以及寬禁帶半導體優勢在系統層面僅能提供有限益處的應用場景種類等方面進行探討。另外還會簡要介紹在IGBT性能的持續改進和擴展。

高性價比和供應穩定性備受好評

如今，功率元器件所受到的關注度已達到前所未有的高度。主要原因在于SiC和GaN功率器件等新一代功率器件的問世。另外，關于Ga?O?和金剛石功率器件等新一代功率器件的研發不斷取得進展，其實用化前景備受期待，這也進一步助推了市場關注度的提升。

然而，下一代及下下代功率器件的面世，并不意味著電子設備設計工程師會全面采用這些產品。他們只是合理地選擇能夠將目標應用產品的價值最大化的功率器件。如果判斷現有硅（Si）功率器件能使應用產品的價值最大化，那么他們將會繼續采用Si功率MOSFET和IGBT。

實際上，基于這一判斷而選擇繼續使用IGBT的應用場景并不少見。半導體領域全球知名制造商ROHM表示，“不僅在日本，海外市場對IGBT的關注度也在迅速提高”。這種關注度快速上升的原因在于，2021年以來工業設備、電機驅動系統、電動汽車（EV）、混合動力汽車（HEV）以及光伏逆變器等領域對IGBT需求量的持續擴大。ROHM的報告中顯示，這些應用領域的制造商咨詢量顯著增加，產品銷量正保持穩步上升態勢。

半導體分析師Grossberg?大山聰先生也持相同觀點：“SiC功率MOSFET和GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）市場未來將持續擴大，但IGBT市場規模不會萎縮。”預計IGBT市場在2025年后仍將保持約10%的年均復合增長率（CAGR），呈較快增長趨勢。

最合適的功率器件選型并非僅由電氣特性決定

那么，電子設計工程師在應用產品中采用IGBT時最重視的特性是什么？

在電氣特性方面，競品SiC功率MOSFET和GaN HEMT器件在很多方面的表現會優于IGBT（表1和表2）。具體而言，比如導通損耗和開關損耗的降低、高速工作能力（實現高開關頻率）、高溫工作能力等優勢。

因此，將這些優勢運用到應用產品中可帶來諸多好處：延長電池續航時間、降低電池容量要求、實現更小型輕量的電路、減少發熱量等。這些優勢在移動應用領域的價值尤為顯著。最終，SiC功率MOSFET和GaN HEMT器件主要在電動汽車牽引逆變器和DC-DC轉換器等應用領域得以快速普及。

表1：單位面積導通電阻的變化趨勢

低電壓：Si MOSFET更合適。速度快且損耗低。

中等電壓：SiC MOSFET更合適。高頻條件下仍保持低損耗，面積效率優。

高電壓額定：IGBT更具優勢。相比SiC，導通電阻更低，芯片面積效率更高。

表2：IGBT與SiC功率MOSFET的性能比較

但是，從另一角度來看，在難以實現這些優勢的應用場景中，采用SiC功率MOSFET或GaN HEMT器件并不具備決定性理由。具體而言，是這類應用場景并不以小型化和輕量化為首要考量因素。

具有代表性的示例包括工業設備和電機驅動系統。在這些應用中，即使通過采用SiC功率MOSFET或GaN HEMT實現了小型化和輕量化，也不能轉化為足以顯著提高銷售額的附加值。因此，設計者通常不會為采用SiC功率MOSFET或GaN HEMT帶來的成本增加買單。換言之，電子設備設計工程師會基于出色的性價比優勢而選擇IGBT。

除此之外，還存在僅憑電氣性能無法定義的“采用IGBT的理由”。例如，與SiC功率MOSFET和GaN HEMT相比，IGBT的供應穩定性明顯更高。此外，IGBT自實現實用應用以來已歷經約40年，擁有豐富的可靠性數據及長期應用所積累的實踐經驗。

在實際的電子設備設計中，電力器件的選型不僅需要考量電氣特性，更需要綜合評估上述各種要素。因此，即使新電力電子器件不斷涌現，在特定應用場景中IGBT仍被持續采用。

IGBT技術的持續演進

此外，IGBT絕非過時的功率器件，而是一直到進步。也就是說，其性能提升仍有充分的空間。

IGBT的性能通過元器件層面和工藝層面的雙重改進，已得到顯著提升。例如，采用“非穿通”和“場截止”等新器件結構、硅晶圓減薄、以及溝槽柵微縮（間距縮小）等方面的改進。最終，IGBT實現了集電極-發射極飽和電壓（VCE(Sat)[1.1]）降低、電流容量增加、開關頻率提高（開關損耗減少）以及短路耐受能力增強。

然而，在硅晶圓減薄和溝槽柵間距微縮方面，仍存在改善余地。ROHM開發部部長石松祐司表示：“IGBT的性能提升仍存在潛在空間。2026年以后推出的產品，其器件結構本身很可能會迎來重大變革。我們會逐步將這些技術發展融入到產品中。”

未來，在保持“較低成本”、“高可靠性”和“高實用性”等優勢的同時，性能得到進一步提升的IGBT產品被投入市場的可能性很大。

在內置多個IGBT的功率模塊領域，仍有望實現進一步技術突破。目前，ROHM已推出的功率模塊“TRCDRIVE packTM”，具有高電流密度和出色的散熱特性[2.1]（圖1）。目前所采用的功率器件，是ROHM第4代SiC功率MOSFET。

功率模塊 TRCDRIVE packTM：雖尺寸小巧，卻通過單面散熱設計實現與競品同等散熱性能的封裝型功率模塊。目前供應的是內置2枚ROHM第4代SiC功率MOSFET的二合一型模塊。

本功率模塊具有兩大特點：第一，通過優化內部布局，將電感降至更低，從而降低了開關損耗；第二，雖采用單面散熱設計，仍以小巧尺寸實現了與競品同等的散熱性能。

在安裝方法上，采用了銀（Ag）燒結技術，通過高溫高壓將模塊內部芯片（功率器件）與引線框架進行接合。這既提高了接合可靠性，又提高了功率密度。

ROHM計劃在不久的將來將這項技術也應用于IGBT。

此外，在模塊與外部散熱器的接合部位，ROHM與 Arieca 公司聯合研發出采用了液態金屬填充彈性體（LMEE）的低溫接合技術。該技術不僅實現了與銀燒結接合技術同等的熱阻，還可在更低溫度和壓力條件下完成接合。這在提高散熱效率的同時，更大程度地提升了模塊的電氣性能。

液態金屬填充彈性體（LMEE）是美國Arieca公司推出的熱界面材料。具有低熱阻特性，應用于功率模塊可提升其散熱性能。

電力電子技術演進中的可靠選項

寬禁帶器件為電源設計者提供了更多的選擇，同時，IGBT憑借其出色的可靠性和成本效益優勢，依然是眾多系統的優選方案。其成熟的供應鏈、穩定的可靠性以及持續的技術改進，即使是在SiC和GaN的優勢僅能提供有限的附加值的應用場景中，IGBT依然保持著作為實用解決方案的地位。