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IGBT是什么？
IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor（绝缘栅双极性晶体管）的简称，一般由BJT双极性晶体管和MOS绝缘栅型场效应管组成，是一种复合全控型电压驱动式功率半导体。与其他功率半导体一样，IGBT也可以承受高电压和大电流，并且具有转换交直流电、放大电信号、导通或阻断电路等功能。
而在现实世界里，IGBT早已成为主流功率半导体产品，并被普遍用于多種场景。不仅在家用电器中能见到IGBT单管，同时，由IGBT与FWD续流二极管和驱动电路等一起封装组成的IGBT模块也已广泛用于工业用电、交通工具、新能源应用等领域。
具体到以电动车为主的新能源汽车，针对日益普及的大功率高压电气部件，相关厂商陆续选择用直接融合MOSFET金属氧化皮膜半导体场效应晶体管，并且更耐高压，还可输出更大功率的IGBT取代从传统燃油车那儿沿用过来的MOSFET。目前，IGBT正以翻倍的数量普遍被布置在新能源车的DC/DC变换器、OBC车载充电器等诸多电气部件的周围，用以频繁完成相应的交直流变换与电气控制工作。例如，在进行能量回收时，就要通过以IGBT为主要组件的逆变器，先把交流电转换成直流电，才好充进电池里去。
车规的IGBT不一般
现役的新能源汽车，尤其是纯电动车，所搭载的驱动电机无论是永磁同步型还是交流异步型，其实都属于交流电机，故得先把电池提供的直流电转换成交流电才能供应使用。因此在相应的电机控制器中必需配有IGBT模块，以控制电驱系统的交直流转换乃至电动机的电压、电流等参数。这意味着，电机控制器里头的IGBT模块直接关系到驱动电机能否正常工作、以及能输出多大的功率和扭矩。
同样，混合动力车型所用的车载发电机，也需要通过IGBT模块才能给电池充入直流电。可见，IGBT是真正激活新能源汽车的关键所在。顺便一提，专用于汽车的IGBT模块与用于其他工业领域的同类产品在功率损耗、驱动功率等指标上会有所不同。一般而言，汽车专用的IGBT模块需承受200-900A的电流，以及400-1200V的电压，并且考虑到在实际工作过程中，像驱动电机这种部件的IGBT输出电流会急速上升，因此在选择器件时还得留有余地。比如比亚迪F3DM的电池平时只有330V的电压，但在车辆急加速时，驱动电机的IGBT却要承受800V以上的电压，所以其配备的是额定值高达1200V/600A的IGBT模块。
功率半导体并非只有IGBT
虽然IGBT是新能源汽车身上的重要功率器件，但实际上MOSFET也仍有用武之地。譬如在48V轻混系统中，驱动功率在15kW左右时MOSFET已经够用。事实上，新能源汽车制造商会根据需要选用IGBT或MOSFET。
硅or碳化硅？
按理说，这样的IGBT功率模块已足够新能源汽车使用。但是，厂商永远追求更高效的产品。于是，一些应用新材料的解决方案便应运而生。其中最有望取代现役Si硅基材料的，便是SiC碳化硅乃至GaN氮化镓等宽带隙半导体材料。事实上，尽管基于Si硅基材料打造的IGBT产品仍在迭代进化中，但早在21世纪初，英飞凌等海外厂商便已先后发布并投产基于SiC的功率半导体器件，诸如JBS结势垒肖特基二极管、PiN功率二极管等SiC二极管，近年更已实现SiC MOSFET场效应管的量产。然后，就会轮到基于SiC的IGBT绝缘栅双极性晶体管。
而厂商之所以青睐SiC碳化硅材料，那是因为相比Si硅基材料，SiC碳化硅材料可以承受更高的工作温度以及更高的工作电压。不仅如此，根据国内汽车厂商的测试数据，同等性能的半导体器件，基于SiC碳化硅材料制作的组件可比由Si硅基材料打造的组件的体积减少1/5，更可减重40-60%;并且在不同工况下，SiC碳化硅组件的功率损耗均下降60-80%。而这些数据反应到车辆身上，便体现为应用SiC碳化硅材料的功率模块，可让电动车的续航里程增加10%。
功率半导体的中国芯
目前在国际市场上，美国厂商的功率半导体份额总量仍处于领先地位，其后是日本厂商，而德国英飞凌的独立IGBT功率晶体和IGBT模块的市场占有率则分别位列世界第一和第二。中国虽说也有实力不俗的芯片设计厂商和制造厂商，但高端产品的核心技术仍被国外厂商垄断，专业级生产设备也主要靠进口。不过，随着《电力电子器件产业发展蓝皮书》的发布，国内整个集成电路产业都已开始加速追赶。例如比亚迪便于2018年宣布已自主研发成功SiC MOSFET，并计划于2023年全面取代现有的Si硅基IGBT系列产品。
特斯拉Model S用的是开放式IGBT晶体管阵列，而非IGBT模块，原因据说是为散热。而到最新的Model 3，特斯拉又改用有封装的SiC MOSFET功率模块。
只不过，目前碳化硅单晶材料的加工技术仍不够完善，以至于在实际生产中，SiC晶体管的成本要远高于Si晶体管。来自中科院电工所的数据表明，现阶段SiC晶体管的成品率依然偏低，从而导致成本过高。例如，同等级别下，SiC MOSFET就比SiIGBT贵8-12倍。此外，以纯SiC材料为基板的晶体管测试数据也不够多，难以预料大批量投产后会暴露出怎样的缺陷。因此，有研究认为，在继续用Si硅基材料制造功率器件的同时，不妨尝试用Si与SiC的混合材料打造功率器件。因为，从实验数据看，混合材料功率器件所承受的电压与电流均高于纯SiC碳化硅材料制成的产品，并且得益于Si硅基材料晶体管的成熟生产工艺及相对低廉的价格，混合材料功率器件的成本还会低于纯SiC碳化硅材料的版本。
当然，以上说法还仅限于理论分析，等到海外供应商在2030年左右率先投产以SiC碳化硅晶体为基板的功率器件后，事实自会揭晓答案：新能源汽车功率模块的未来到底是属于SiC等新型材料，还是由Si硅基材料继续把持，抑或是由二者共享？结局值得期待！
IGBT进化史
早在上世纪80年代，就已经出现从MOSFET生产工艺中衍生出的IGBT产品，但正式量产应用则是在90年代。此后，尽管单晶芯片的蚀刻工艺从平面棚进化到淘槽栅栏，而垂直结构则从PT穿通到NPT非穿通，再逐漸到FS场截止、LPT弱穿通，但基板部是Si硅基材料。
倒是封装技术日益复杂，在采用IC驱动电路以及各种保护电路之后，已经进化到IPM智能功率模块，并逐渐向高电压、大电流方向发展。今后，芯片基板很可能会改由Sic碳化硅材料制成，而封装技术则进一步趋向智能化、模块化。
