5.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)
绝缘栅双极型晶体管，是由功率MOSFET和BJT组成的复合全控型电压驱动式器件，它由栅极(G)、发射极(E)和集电极(C)三个电极，综合了MOSFET的高输入阻抗和BJT低导通压降两方面的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小、开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于功率MOSFET与BJT之间，可正常工作于几十kHz频率。
商业化的IGBT已发展成系列，其电流范围包括从2A的IGBT单管到3600A的IGBT模块，耐压范围涵盖300V到6500V。IGBT是1200V以上电压领域的主流电力电子器件，并正逐渐向高压大电流领域发展。
传统的电力电子器件都是采用半导体材料硅(Si)来研制的。随着电力电子器件性能需求的不断提高，硅材料的物理局限性日益显现，严重制约了硅器件的电压、电流、频率、温度、耗散功率和抗辐射等性能的提高。近年来，以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料迅速发展，已开发出了各种SiC功率二极管和晶体管器件，其中，SiC功率二极管主要有肖特基二极管(SBD)、PiN二极管、结势垒肖特基二极管(JBS)，SiC晶体管主要有功率BJT器件、功率JFET器件、功率MOSFET器件、IGBT和晶闸管等;GaN功率器件主要有肖特基二极管和高电子迁移率晶体管(HEMT)等。这些新型电力电子器件的出现，开启了电力电子器件领域的新局面，引起了电力电子技术领域一场新的革命。
二、电力电子器件产业发展状况及趋势
(一)国际发展状况
半个多世纪以来，伴随着基于硅材料的半导体产业的发展，硅基电力电子器件得到了同步发展，形成了庞大的基于硅基电力电子器件的电力电子产业。
在超大功率(电压3.3kV以上、容量1~45MW)领域，晶闸管和集成门极换流晶闸管(IGCT)具有巨大的市场。目前，国际上6英寸8.5kV/5kA晶闸管已商品化。瑞士ABB等公司开发了非对称型、逆导型和逆阻型IGCT的产品，研发水平已达到9kV/6kA，商业化产品有4.5kV和6kV两种系列，其中6.5kV/6kA的IGCT产品已经开始供应市场。
在中大功率领域(电压1200V~6.5kV)，IGBT是市场上的主流产品。IGBT器件(包括大功率模块、智能功率模块)已经涵盖了300V~6.5kV的电压和2A~3600A的电流。近年来，以德国英飞凌、瑞士ABB、日本三菱、东芝和富士等为代表的电力电子器件企业开发了先进的IGBT技术和产品，占有全球每年约50亿美元的市场，带动了高达几百亿美元的电力电子设备市场。
在中小功率领域(900V以下)，功率MOSFET是应用最广泛的电力电子器件，也是目前市场容量最大、需求增长最快的器件，其中以超级结为代表的新结构器件是该器件的重要发展方向。
从上世纪90年代开始，技术领先国家和国际大型企业纷纷投入到以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体器件的研发和产业化中，对SiC材料、器件、封装、应用的全产业链进行了重点投入和系统布局，全力抢占该技术与产业的战略制高点和国际市场。
SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，已经形成了全球的材料、器件和应用产业链。SiC材料方面的企业以Cree、II-VI、DowCorning等为代表，其中2013年Cree开发出6英寸SiC单晶产品，其微管密度低于1个/cm2;多家公司研发出厚度超过250μm的SiC外延材料样品，并批量提供中低压器件用SiC外延材料产品。在SiC器件方面，国际上报道了10kV~15kV/10A~20A的SiCMOSFET、超过20kV的SiC功率二极管和SiCIGBT芯片样品。Cree和Rohm公司开发了SiCMOSFET产品，电压等级从650V~1700V，单芯片电流超过50A，并开发出1200V/300A、1700V/225A的全碳化硅功率模块产品。
GaN是另一种重要的宽禁带半导体材料。它具有独特的异质结结构和二维电子气，在此基础上研制的高电子迁移率晶体管(HEMT)是一种平面型器件，可以实现低导通电阻、高开关速度的优良特性。国际上也有团队报道了垂直型的GaN电力电子器件。近年来围绕GaN半导体器件的全球研发投入以及生产规模均快速增长，其中650V以下的平面型HEMT器件已经实现了产业化。
在电力电子器件的专利方面，2001~2010年期间，全球电力电子器件行业专利申请量处于稳步增段，每年的全球专利申请量都在1500项左右，器件类型以MOSFET和IGBT为主，申请量占比达到67%。国际上电力电子器件的专利集中于国际大型公司，全球专利申请量居前5位的分别是东芝、NEC、日立、三菱、富士，均是日本公司，欧洲和美国的GE、英飞凌、西门子、ABB等欧美企业也在该领域申请了大量专利。国际上宽禁带电力电子器件专利始于1989年。2011~2015年期间，国际上SiC和GaN器件领域专利申请量增长迅速，据预测将在2025年左右达到峰值。
(二)国内发展状况
我国目前已经初步建立起了包含晶闸管、IGCT、功率MOSFET、IGBT等全系列硅基电力电子器件产业，在我国国民经济发展中发挥了重要的作用。
在超大功率(电压3.3kV以上、容量1~45MW)领域，我国以晶闸管为代表的传统半控型器件的技术已经成熟，水平居世界前列，5~6英寸的晶闸管产品已广泛用于高压直流输电系统，并打入国际市场，形成了国际竞争力。目前我国已经研制成功7英寸晶闸管产品，并实现了IGCT产品的商业化。
在中大功率(电压1200~6500V)和中小功率(900V以下)领域，在国家产业政策支持和国民经济发展的推动下，我国高频场控电力电子器件技术和产业取得了长足的进步，建立了从电子材料、芯片设计、研制、封装、测试和应用的全产业链。中小功率的MOSFET芯片已产业化，批量生产的单管已在消费类电子领域得到广泛应用，600~900V的MOSFET芯片正在开发中;600V、1200V、1700V/10~200A的IGBT芯片和600V、1200V、1700V/10~300A的FRD芯片已进入产业化阶段，3300V、4500V、6500V/32~63A的IGBT和3300V、4500V、6500V/50~125AFRD的芯片已研发成功，并进入量产阶段;IGBT模块的封装技术也上了一个大台阶，采用国产芯片的600V、1200V、1700V、3300V/200~3600A的IGBT模块已经实现量产，采用国产芯片的4500V、6500V/600~1200A的IGBT模块进入小批量的量产阶段。国产品牌IGBT芯片和模块已经形成与国际品牌竞争的态势。
近年来，在国家各级部门的支持下，我国SiC和GaN电力电子器件实现了“从无到有”的突破，在技术研发方面有了较好的积累，个别技术水平接近国际先进水平。在SiC材料方面，国内4英寸N型SiC单晶产品已产业化，其微管密度小于1个/cm2;已经开发出了6英寸SiC单晶样品，正在进行产业化开发;在SiC外延材料方面，国内研发出了150μm以上的SiC外延材料，20μm以下的SiC外延产品已经实现量产。在SiC器件方面，国内研发出了17kVPiN二极管芯片、3.3kV/50ASiC肖特基二极管芯片、1.2kV~3.3kVSiCMOSFET芯片、4.5kV/50ASiCJFET模块等样品。目前，我国已具备600V~3.3kVSiC二极管芯片量产能力，SiCMOSFET芯片产业化能力正在形成。我国有若干科研机构和企业从事GaN材料技术的开发，目前已开发出了6英寸硅基GaN晶圆材料的产品;目前我国已经具备了600~1200V平面型GaN芯片的研发能力，并具备了600V平面型GaN器件的产业化能力。综合而言我国宽禁带电力电子器件技术和产业水平还落后于国际先进水平。
在电力电子器件的专利方面，上个世纪90年代，我国该领域的专利主要集中于硅基功率MOSFET和IGBT。从2000年起，我国开展申请SiC和GaN电力电子器件的相关专利，2010年后，我国在该领域的专利申请数量出现明显的增长。目前我国宽禁带材料和器件的专利数量仅次于日本、美国和德国，居全球第四位，专利申请人以研究型的科研院所为主。
