近日，中车株洲电力机车研究所研发的８英寸ＩＧＢＴ（绝缘栅双极型晶体管）高铁控制系统成功中标印度机车市场。这是我国高铁装备核心器件首次获得海外批量订单。

作为新一代功率半导体器件，ＩＧＢＴ是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品。“通俗地讲，ＩＧＢＴ芯片就是高铁列车的核心动力心脏，类似于手机里的ＣＰＵ芯片。”中车株洲所旗下子公司时代电气总工程师尚敬说。

“中车株洲所研发大功率半导体器件，从１９６４年就开始了。”尚敬说。随着交流传动技术在轨道交通广泛应用，ＩＧＢＴ成为主流大功率开关器件。然而，当时的ＩＧＢＴ技术与产品被国外少数几家公司所垄断，轨道交通应用领域所需高压ＩＧＢＴ全部依赖进口。２００６年，中车株洲所开始谋划ＩＧＢＴ技术研究。

转折点发生在２００８年。中车株洲所时代电气成功并购英国丹尼克斯公司，引进了丹尼克斯６英寸ＩＧＢＴ的生产技术。

“并购丹尼克斯，目标就是要实现ＩＧＢＴ完全国产化。”中车株洲所时代电气副总经理刘国友说。此时，出现了两种不同声音：一种坚持原封不动地将丹尼克斯６英寸ＩＧＢＴ生产线复制到国内，尽快实现产业化；一种则认为应该升级技术，建设一条更先进的８英寸ＩＧＢＴ生产线。

　　“大部分人主张原封不动地将６英寸线搬过来。”刘国友说，这一次，中车株洲所力排众议，提出新产业基地应基于丹尼克斯技术，但不限于此，要充分吸收ＩＧＢＴ技术创新发展成果。

２０１１年５月，中车株洲所投入约１６亿元，建设国内第一条８英寸ＩＧＢＴ芯片生产基地；２０１４年６月，该生产线建成投产，这是世界上第二条８英寸ＩＧＢＴ专业芯片生产线，１１月，装有首批自主８英寸ＩＧＢＴ芯片的模块在云南昆明地铁成功运行，中车株洲所自主研制生产的８英寸ＩＧＢＴ芯片打破了国外高端ＩＧＢＴ技术垄断，实现从研发、制造到应用的完全国产化。

尚敬介绍，中车株洲所也成为我国唯一全面掌握高铁动力系统的企业。

据了解，中车株洲所近３年科研投入总计超５７亿元，创新投入对企业效益增长立竿见影，连续３年收入和利润增幅都超过２０％。

中国ＩＧＢＴ首次出口海外市场

根据湖南省经济和信息化委员会发布的消息，近日，中车株洲电力机车研究所有限公司（中车株洲所）自主研发的８英寸ＩＧＢＴ产品，成功中标印度机车市场，将用于该国电力货运重载机车改造升级项目，这是该产品首次出口海外。

绝缘双极性晶体管（ＩＧＢＴ）是目前技术最先进的电力电子器件，广泛应用于家用电器、新能源装备、轨道交通、直流输电、自动化和智能控制领域，被称为电力电子行业里的“ＣＰＵ”。该技术一直由英飞凌、ＡＢＢ、三菱等国外公司垄断。中车株洲所在引进吸收的基础上，建成世界第二条８英寸ＩＧＢＴ芯片生产线，自主研发出大功率的８英寸ＩＧＢＴ产品，广泛应用于中国高铁领域。此次即将出口印度的ＩＧＢＴ产品，是中车时代电气ＩＧＢＴ家族的相当成熟的一款主打产品。该产品从芯片到模块，再到组件，均由中车株洲所旗下的中车时代电气完成全部的研制和生产。随着“一带一路”、“高铁出海”等国家战略的推进，中国铁路及其高端装备行业走出国门步伐将加快。

　中国ＩＧＢＴ产品首次单独批量打入海外机车市场

　记者１４日下午从中车株洲研究所旗下中车时代电气获悉，该公司研发生产的８英寸ＩＧＢＴ（绝缘栅双极型晶体管）产品成功中标印度机车市场。这是中国自主生产的铁路高端核心器件首次单独批量打入海外市场。

据技术人员介绍，此次出口印度市场的ＩＧＢＴ产品，功率等级为８００安培／１７００伏，将主要用于印度的主力电力货运重载机车ＷＡＧ－９机车的改造升级项目上。目前，印度机车变流器普遍采用第二代功率半导体器件ＧＴＯ型变流器，面临升级改造。相比ＧＴＯ产品，ＩＧＢＴ的关断时间在其两倍以上，而在大部分应用工况下ＩＧＢＴ的损耗也只有前者的１／３左右。

这批ＩＧＢＴ产品，从芯片到模块，再到组件，均由中车时代电气中国基地研发和生产。此前，这款ＩＧＢＴ产品已批量装载在国内主力电力机车７２００千瓦大功率电力机车上，特别是在我国西部地区坡陡、弯大、隧道多的复杂工况下，表现出良好的适应能力及可靠性。

与微电子技术中芯片技术（通常所说的ＣＰＵ）一样，ＩＧＢＴ芯片技术是电力电子行业中的“心脏”和“大脑”，控制并提供大功率的电力设备电能变换，有效提升设备的能源利用效率、自动化和智能化水平。主要应用于船舶、高压电网、轨道交通等大功率电力驱动设备中。

过去，全球ＩＧＢＴ技术主要掌握在欧洲和日本等少数几个国家手中。中国的ＩＧＢＴ芯片及其相关产品９９％以上依赖进口。经过２０多年的研发攻关，中国中车于２０１４年６月自主建成中国首条、世界第二条８英寸ＩＧＢＴ专业芯片线。

ＩＧＢＴ

ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ），绝缘栅双极型晶体管，是由ＢＪＴ（双极型三极管）和ＭＯＳ（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，　兼有ＭＯＳＦＥＴ的高输入阻抗和ＧＴＲ的低导通压降两方面的优点。ＧＴＲ饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；ＭＯＳＦＥＴ驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。ＩＧＢＴ综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为６００Ｖ及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

ＩＧＢＴ模块是由ＩＧＢＴ（绝缘栅双极型晶体管芯片）与ＦＷＤ（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品；封装后的ＩＧＢＴ模块直接应用于变频器、ＵＰＳ不间断电源等设备上；

ＩＧＢＴ模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的ＩＧＢＴ也指ＩＧＢＴ模块；随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见；

ＩＧＢＴ是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“ＣＰＵ”，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。

研发进展

ＩＧＢＴ（绝缘栅双极晶体管）作为新型电力半导体场控自关断器件，集功率ＭＯＳＦＥＴ的高速性能与双极性器件的低电阻于一体，具有输进阻抗高，电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，在各种电力变换中获得极广泛的应用。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发ＩＧＢＴ的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠、低本钱技术，主要采用１ｕｍ以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。［３］　

１、低功率ＩＧＢＴ

ＩＧＢＴ应用范围一般都在６００Ｖ、１ＫＡ、１ＫＨｚ以上区域，为满足家电行业的发展需求，摩托罗拉、ＳＴ半导体、三菱等公司推出低功率ＩＧＢＴ产品，实用于家电行业的微波炉、洗衣机、电磁灶、电子整流器、照相机等产品的应用。

２、Ｕ－ＩＧＢＴ

Ｕ（沟槽结构）－－ＩＧＢＴ是在管芯上刻槽，芯片元胞内部形成沟槽式栅极。采用沟道结构后，可进一步缩小元胞尺寸，减少沟道电阻，进步电流密度，制造相同额定电流而芯片尺寸最少的产品。现有多家公司生产各种Ｕ—ＩＧＢＴ产品，适用低电压驱动、表面贴装的要求。

３、ＮＰＴ－ＩＧＢＴ

ＮＰＴ（非穿通型）－－ＩＧＢＴ采用薄硅片技术，以离子注进发射区代替高复杂、高本钱的厚层高阻外延，可降低生产本钱２５％左右，耐压越高本钱差越大，在性能上更具有特色，高速、低损耗、正温度系数，无锁定效应，在设计６００—１２００Ｖ的ＩＧＢＴ时，ＮＰＴ—ＩＧＢＴ可靠性最高。西门子公司可提供６００Ｖ、１２００Ｖ、１７００Ｖ系列产品和６５００Ｖ高压ＩＧＢＴ，并推出低饱和压降ＤＬＣ型ＮＰＴ—ＩＧＢＴ，依克赛斯、哈里斯、英特西尔、东芝等公司也相继研制出ＮＰＴ—ＩＧＢＴ及其模块系列，富士电机、摩托罗拉等在研制之中，ＮＰＴ型正成为ＩＧＢＴ发展方向。

４、ＳＤＢ－－ＩＧＢＴ

鉴于目前厂家对ＩＧＢＴ的开发非常重视，三星、快捷等公司采用ＳＤＢ（硅片直接键合）技术，在ＩＣ生产线上制作第四代高速ＩＧＢＴ及模块系列产品，特点为高速，低饱和压降，低拖尾电流，正温度系数易于并联，在６００Ｖ和１２００Ｖ电压范围性能优良，分为ＵＦ、ＲＵＦ两大系统。

５、超快速ＩＧＢＴ

国际整流器ＩＲ公司的研发重点在于减少ＩＧＢＴ的拖尾效应，使其能快速关断，研制的超快速ＩＧＢＴ可最大限度地减少拖尾效应，关断时间不超过２０００ｎｓ，采用特殊高能照射分层技术，关断时间可在１００ｎｓ以下，拖尾更短，重点产品专为电机控制而设计，现有６种型号，另可用在大功率电源变换器中。

６、ＩＧＢＴ／ＦＲＤ

ＩＲ公司在ＩＧＢＴ基础上推出两款结合ＦＲＤ（快速恢复二极管）的新型器件，ＩＧＢＴ／ＦＲＤ有效结合，将转换状态的损耗减少２０％，采用ＴＯ—２４７外型封装，额定规格为１２００Ｖ、２５、５０、７５、１００Ａ，用于电机驱动和功率转换，以ＩＧＢＴ及ＦＲＤ为基础的新技术便于器件并联，在多芯片模块中实现更均匀的温度，进步整体可靠性。

７、ＩＧＢＴ功率模块

ＩＧＢＴ功率模块采用ＩＣ驱动，各种驱动保护电路，高性能ＩＧＢＴ芯片，新型封装技术，从复合功率模块ＰＩＭ发展到智能功率模块ＩＰＭ、电力电子积木ＰＥＢＢ、电力模块ＩＰＥＭ。ＰＩＭ向高压大电流发展，其产品水平为１２００—１８００Ａ／１８００—３３００Ｖ，ＩＰＭ除用于变频调速外，６００Ａ／２０００Ｖ的ＩＰＭ已用于电力机车ＶＶＶＦ逆变器。平面低电感封装技术是大电流ＩＧＢＴ模块为有源器件的ＰＥＢＢ，用于舰艇上的导弹发射装置。ＩＰＥＭ采用共烧瓷片多芯片模块技术组装ＰＥＢＢ，大大降低电路接线电感，进步系统效率，现已开发成功第二代ＩＰＥＭ，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为ＩＧＢＴ发展热门。

发展历史

１９７９年，ＭＯＳ栅功率开关器件作为ＩＧＢＴ概念的先驱即已被介绍到世间。这种器件表现为一个类晶闸管的结构（Ｐ－Ｎ－Ｐ－Ｎ四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了Ｖ形槽栅。

８０年代初期，用于功率ＭＯＳＦＥＴ制造技术的ＤＭＯＳ（双扩散形成的金属－氧化物－半导体）工艺被采用到ＩＧＢＴ中来。［２］在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的ＮＰＴ（非穿通）型设计。后来，通过采用ＰＴ（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的ｎ＋缓冲层而进展的［３］。几年当中，这种在采用ＰＴ设计的外延片上制备的ＤＭＯＳ平面栅结构，其设计规则从５微米先进到３微米。

９０年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的ＩＧＢＴ，它是采用从大规模集成（ＬＳＩ）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（ＰＴ）型芯片结构。［４］在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。

硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通（ＮＰＴ）结构，继而变化成弱穿通（ＬＰＴ）结构，这就使安全工作区（ＳＯＡ）得到同表面栅结构演变类似的改善。

这次从穿通（ＰＴ）型技术先进到非穿通（ＮＰＴ）型技术，是最基本的，也是很重大的概念变化。这就是：穿通（ＰＴ）技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。另一方面，非穿通（ＮＰＴ）技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。进而言之，非穿通（ＮＰＴ）技术又被软穿通（ＬＰＴ）技术所代替，它类似于某些人所谓的“软穿通”（ＳＰＴ）或“电场截止”（ＦＳ）型技术，这使得“成本—性能”的综合效果得到进一步改善。

１９９６年，ＣＳＴＢＴ（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第５代ＩＧＢＴ模块得以实现［６］，它采用了弱穿通（ＬＰＴ）芯片结构，又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前，包括一种“反向阻断型”（逆阻型）功能或一种“反向导通型”（逆导型）功能的ＩＧＢＴ器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化。

ＩＧＢＴ功率模块采用ＩＣ驱动，各种驱动保护电路，高性能ＩＧＢＴ芯片，新型封装技术，从复合功率模块ＰＩＭ发展到智能功率模块ＩＰＭ、电力电子积木ＰＥＢＢ、电力模块ＩＰＥＭ。ＰＩＭ向高压大电流发展，其产品水平为１２００—１８００Ａ／１８００—３３００Ｖ，ＩＰＭ除用于变频调速外，６００Ａ／２０００Ｖ的ＩＰＭ已用于电力机车ＶＶＶＦ逆变器。平面低电感封装技术是大电流ＩＧＢＴ模块为有源器件的ＰＥＢＢ，用于舰艇上的导弹发射装置。ＩＰＥＭ采用共烧瓷片多芯片模块技术组装ＰＥＢＢ，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代ＩＰＥＭ，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为ＩＧＢＴ发展热点。

现在，大电流高电压的ＩＧＢＴ已模块化，它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外，现在已制造出集成化的ＩＧＢＴ专用驱动电路．其性能更好，整机的可靠性更高及体积更小。