电子发烧友网报道(文/黄山明)在储能技术高速发展的今天,更强的发电与蓄电能力,更高的能源管理效率,更稳定的输送能力都是相关企业追求的方向,这就需要功能更强的IGBT来满足当前储能技术的高需求,而第七代IGBT的出现,正好契合当前储能的发展需要。
第7代IGBT正加速发展
IGBT的发展可以追溯至20世纪80年代,最初的IGBT采用了平面穿通(PT),这种IGBT通过重掺杂的P+衬底开始,但是存在负温度系数、通态压降一致性差等问题,不利于并联使用。尽管如此,它开启了IGBT在电力电子领域的应用。
随着时间的推移,IGBT经历了多次迭代,从非穿通( NPT)结构到场截止( FS)结构的转变,栅极结构也从平面型转向沟槽型(Trench)。这些改进逐步提升了IGBT的性能,包括降低导通压降、缩短开关时间、提高断态电压等,这也是IGBT从第二代到第五代的变化。
到了第六代,IGBT进一步优化了沟槽结构和场截止技术,显著提高了电流密度和能效,降低了开关损耗,同时在高温工作表现上有了显著提升。
而在2018年前后,市场中开始推出的第七代IGBT,引入了微沟槽栅+场截止(Micro Pattern Trench)技术,这是IGBT技术的一次重大飞跃。第七代IGBT的特点包括更高的沟道密度、优化的元胞设计、更低的寄生电容,以及在极端开关速度(如5kV/μs)下仍能保持最佳性能。这使得IGBT7在降低静态损耗、提高开关速度、增强高温工作能力等方面达到新的高度,特别适合于高性能的电动汽车、可再生能源系统和高压直流输电等应用。
其中微沟槽技术能够改善载流子传输特性,从而在不牺牲开关速度的情况下降低静态损耗。这意味着在相同工作条件下,第七代IGBT能更高效地转换电能,减少发热。并且相比第六代IGBT,第七代的静态损耗降低了约30%,这对于提升系统能效和减少冷却需求至关重要。
此外,有数据显示,在相同封装体积下,第七代IGBT的电流输出能力增加了50%以上,这得益于更高的电流密度,使得设备小型化成为可能,或者在不改变体积的前提下提高系统的功率输出。
并且,第七代IGBT也满足了电子行业对更高效率、更小尺寸、更高功率密度和更低损耗的需求。第七代IGBT技术通过实现面积减小20%、芯片厚度从120微米减少到80微米、导通压降从1.7V降到1.4V,大幅提升了IGBT的性价比。
举个例子,在储能系统中使用第七代IGBT,可以设计出发电和蓄电能力更强的系统,提高能源管理效率,增强储存能力,从而更平稳地将太阳能电力并网到电网中。此外,通过第七代IGBT设计的模块还支持将多余的电力储存在储能系统中,有效缓解太阳能发电的间歇性问题,确保供电的可靠性和稳定性。
七代IGBT赋能储能产业
由于七代IGBT的优秀表现,已经有越来越多的企业将这款产品用在储能领域。比如近期上能电气采用了英飞凌IGBT7 EconoDUAL™3实现单机2MW储能变流器PCS,这是使用了英飞凌最新的EconoDUAL 3封装的750A 1200V模块,型号为FF750R12ME7_B11。
而EH-2000-HA-UD采用的FF750R12ME7,这是一款1200V/750A的IGBT模块,芯片采用的是英飞凌最新一代IGBT7技术。与英飞凌上一代IGBT4技术不同,IGBT7采用更加精细化的MPT微沟槽栅技术,沟道密度更高,芯片厚度更薄,元胞结构及间距也经过精心设计,并且优化了寄生电容参数,从而实现了最佳开关性能。
此外,在近期,安森美也发布了第七代1200V QDual3 IGBT功率模块。与其他同类产品相比,该模块的功率密度更高,且提供高10%的输出功率。
据安森美介绍,该800A QDual3模块基于新的场截止第七代(FS7)IGBT技术,应用于150KW的逆变器中时,QDual3模块的损耗比同类最接近的竞品少200W,从而缩减散热器尺寸,适合用于太阳能发电站中央逆变器、储能系统、商用农业车辆和工业电机驱动器等大功率变流器。
国内也有许多企业相继推出了七代IGBT,如斯达半导体,在2022年便推出了基于第七代微沟槽技术的新一代车规级IGBT芯片,产品型号包括650V/750V/1200V IGBT芯片,采用第七代微沟槽Trench Field Stop技术,可实现面积减小20%、芯片厚度从120微米减少到80微米、导通压降从1.7V降到1.4V。
此外如贝茵凯也在2023年末研发出了全系列第七代IGBT芯片,并成功实现大批量生产,成功突破国产化领域的技术壁垒。这款第七代IGBT产品在性能方面显著优于同类中采用传统制程的IGBT芯片,有效解决了导通损耗与开关损耗难以平衡的问题,具备低导通损耗与低开关损耗的双重优势,适用频率范围也得以拓宽,最高适用频率从15kHz-20kHz提升至30kHz-40kHz。
目前该产品已经通过多家行业领军企业的严格测试与认证,并已在电动汽车、风力发电、光伏逆变器及高端化学储能等领域实现小规模供应。
韦尔股份近期也新获得了一项实用新型专利授权,专利名为“一种新型沟槽IGBT结构”,该专利提供了一种新型沟槽IGBT结构,该结构通过减少栅极接触孔的方式,将对应的栅极沟槽中的多晶硅转变成第一发射极沟槽的多晶硅,从而减小栅极电容,使器件开通速度变快,降低开通损耗。而新型沟槽正是七代IGBT的显著特点。
此外如新洁能、振华科技、安建科技等都已经在第七代IGBT中有所建树,为中国乃至全球的新能源汽车、光伏储能、工业控制等领域提供了先进的功率半导体解决方案。
小结
在国际上,安森美等欧美日企业凭借其深厚的技术积累和资金实力,在第七代IGBT技术开发及商业化方面走在前列。而中国IGBT企业如斯达半导、新洁能等也在加速追赶,成功研发并推出了第七代IGBT产品,标志着国内企业在IGBT核心技术上的重大突破。尤其储能产业的快速发展,也为七代IGBT提供了巨大的应用市场,反过来七代IGBT也加速了储能市场的发展。
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