IGBT單管和模塊的對(duì)比和分析

最近很多朋友和我聊到IGBT單管和模塊的區(qū)別，優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比等。本人從事電力電子產(chǎn)品研發(fā)十幾年有余，對(duì)單管和模塊都有一定的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)過(guò)的產(chǎn)品包括工頻塔式機(jī)UPS、500KW光伏逆變器、模塊化UPS、充電模塊等，結(jié)合實(shí)際工作中經(jīng)常和功率半導(dǎo)體廠(chǎng)家、業(yè)界的諸多逆變器硬件工程師交流，對(duì)單管和模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的總結(jié)，希望對(duì)大家的IGBT設(shè)計(jì)選型和逆變器選型有所幫助。

IGBT全稱(chēng)絕緣柵雙極晶體管（Insulate-Gate Bipolar Transistor），其生產(chǎn)工藝主要包括晶體管材料的生長(zhǎng)、切割、清洗、制備、封裝和測(cè)試等步驟，大家有興趣可以對(duì)其中的每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行深入了解。下面從以下幾個(gè)方面對(duì)單管和模塊IGBT進(jìn)行對(duì)比分析。

一、IGBT單管和模塊制成過(guò)程

單管和模塊都經(jīng)歷晶體管材料的生長(zhǎng)、切割、清洗、制備過(guò)程，二者區(qū)別主要是在封測(cè)，IGBT單管是將IGBT晶圓芯片封裝在一個(gè)獨(dú)立的封裝中，常見(jiàn)的封裝類(lèi)型包括TO-220、TO-247等。IGBT模塊是將多個(gè)IGBT晶圓芯片、二極管晶圓芯片等封裝在一起的模塊化設(shè)備，內(nèi)部的IGBT晶圓芯片并聯(lián)工作，本質(zhì)上也是多個(gè)IGBT單管并聯(lián)。

在IGBT模塊生產(chǎn)時(shí)，IGBT廠(chǎng)家會(huì)將同批次的晶圓并聯(lián)在一起組成模塊。而一般IGBT廠(chǎng)家出貨給逆變器廠(chǎng)家的單管IGBT一般也是同批次晶圓，IGBT單管用戶(hù)在使用過(guò)程中工藝中也會(huì)明確要求同廠(chǎng)家同批次并聯(lián)。因此從并聯(lián)角度來(lái)看，二者本質(zhì)上沒(méi)有區(qū)別。之前很多朋友提到模塊一致性要比單管一致性好，其說(shuō)法并不正確。

IGBT廠(chǎng)家單管和模塊出貨情況

來(lái)自英飛凌官網(wǎng)的數(shù)據(jù)，2021年單管銷(xiāo)售額約為模塊銷(xiāo)售額的1/2，其中模塊主要銷(xiāo)售來(lái)源于大功率塔式機(jī)應(yīng)用，功率在200KVA以上。在200KVA以下，越來(lái)越多用戶(hù)選擇使用單管方案。從發(fā)貨量來(lái)對(duì)比，IGBT單管的出貨量遠(yuǎn)大于IGBT模塊。

單管從2010光伏行業(yè)開(kāi)始大規(guī)模使用，如今在UPS、充電模塊、光伏、OBC、電驅(qū)領(lǐng)域，基本以單管IGBT為主。業(yè)界主要風(fēng)電變流器廠(chǎng)家禾望電氣，最近推出的逆變器已采用6個(gè)IGBT單管進(jìn)行并聯(lián)，單模塊功率達(dá)到300Kvar。

深圳諸多逆變器廠(chǎng)家如華為、維諦、科華、英威騰、禾望等，一般模塊功率小于200KW基本使用單管IGBT方案，大功率塔式機(jī)一般沿用IGBT模塊方案。

從近幾年的出貨數(shù)據(jù)來(lái)看，IGBT單管的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

不用領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

在技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)比較激烈的電力電子行業(yè)，如光伏逆變器、UPS、充電模塊等領(lǐng)域，在2014年以后很多新產(chǎn)品開(kāi)始使用IGBT單管方案。在一些細(xì)分領(lǐng)域如APF/SVG、非標(biāo)定制電源等，開(kāi)始逐漸意識(shí)到單管的優(yōu)勢(shì)，尤其是在功率密度、供貨方面，單管具有天然的優(yōu)勢(shì)。

為什么單管IGBT得到越來(lái)越多用戶(hù)的青睞，我認(rèn)為主要有以下幾個(gè)方面，首先是供貨問(wèn)題，新冠疫情給很多廠(chǎng)家?guī)?lái)的最大困難是IC買(mǎi)不到的問(wèn)題，IGBT模塊同樣如此，由于其供貨廠(chǎng)家有限、封裝兼容性不強(qiáng)，導(dǎo)致很多逆變器廠(chǎng)家IGBT模塊買(mǎi)不到，導(dǎo)致不能發(fā)貨。對(duì)比起來(lái)，IGBT單管供貨廠(chǎng)家有幾十甚至上百家，封裝完全兼容，不存在供貨問(wèn)題，而且替代起來(lái)不需要改板，這一點(diǎn)為逆變器廠(chǎng)家替代帶來(lái)了極大的便利。

其次單管IGBT容量越來(lái)越大，近兩年的IGBT單管247-plus封裝，基本已經(jīng)做到650V/100A以上，采用交錯(cuò)3*3并聯(lián)方案，功率基本可以達(dá)到300A，因此對(duì)于單模塊小于300A功率段的逆變器，采用單管方案很容易實(shí)現(xiàn)。

第三點(diǎn)我認(rèn)為是單管IGBT體積小，有利于產(chǎn)品系統(tǒng)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，拓?fù)溥x用靈活，不同特性的IGBT搭配起來(lái)方便，能夠幫助提升效率和功率密度。以華為最新一代模塊化UPS為例，高度3U，功率已經(jīng)做到125KW，可以過(guò)載150% 1分鐘，全部采用單管IGBT或MOS方案

可靠性對(duì)比

逆變器可靠性本質(zhì)上并不取決于IGBT采用了單管還是模塊方案，從并聯(lián)均流、防護(hù)性

等角度二者無(wú)本質(zhì)差異，逆變器可靠性更依賴(lài)于設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)能力、經(jīng)驗(yàn)等，特斯拉電動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)之初電驅(qū)就采用SIC mos多管并聯(lián)方案，其產(chǎn)品是電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域最為可靠的產(chǎn)品。

因此簡(jiǎn)單的采用模塊和單管來(lái)對(duì)比逆變器的可靠性，并不客觀(guān)。

總 結(jié)：

筆者認(rèn)為逆變器設(shè)計(jì)選型采用模塊還是單管主要取決于功率段，大于200K以上逆變器，如果技術(shù)積累不足，建議采用模塊IGBT方案。小于200K功率逆變器，建議采用單管IGBT方案，無(wú)論從功率密度、產(chǎn)品性能等方面更具有優(yōu)勢(shì)。