IGBT單管和模塊的對比和分析

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

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

一、IGBT單管和模塊制成過程

單管和模塊都經(jīng)歷晶體管材料的生長、切割、清洗、制備過程，二者區(qū)別主要是在封測，IGBT單管是將IGBT晶圓芯片封裝在一個獨立的封裝中，常見的封裝類型包括TO-220、TO-247等。IGBT模塊是將多個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IGBT單管并聯(lián)。

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

IGBT廠家單管和模塊出貨情況

來自英飛凌官網(wǎng)的數(shù)據(jù)，2021年單管銷售額約為模塊銷售額的1/2，其中模塊主要銷售來源于大功率塔式機應(yīng)用，功率在200KVA以上。在200KVA以下，越來越多用戶選擇使用單管方案。從發(fā)貨量來對比，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)電變流器廠家禾望電氣，最近推出的逆變器已采用6個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，大功率塔式機一般沿用IGBT模塊方案。

從近幾年的出貨數(shù)據(jù)來看，IGBT單管的應(yīng)用會越來越廣泛。

不用領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

在技術(shù)競爭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，開始逐漸意識到單管的優(yōu)勢，尤其是在功率密度、供貨方面，單管具有天然的優(yōu)勢。

為什么單管IGBT得到越來越多用戶的青睞，我認(rèn)為主要有以下幾個方面，首先是供貨問題，新冠疫情給很多廠家?guī)淼淖畲罄щy是IC買不到的問題，IGBT模塊同樣如此，由于其供貨廠家有限、封裝兼容性不強，導(dǎo)致很多逆變器廠家IGBT模塊買不到，導(dǎo)致不能發(fā)貨。對比起來，IGBT單管供貨廠家有幾十甚至上百家，封裝完全兼容，不存在供貨問題，而且替代起來不需要改板，這一點為逆變器廠家替代帶來了極大的便利。

其次單管IGBT容量越來越大，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3*3并聯(lián)方案，功率基本可以達(dá)到300A，因此對于單模塊小于300A功率段的逆變器，采用單管方案很容易實現(xiàn)。

第三點我認(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，拓?fù)溥x用靈活，不同特性的IGBT搭配起來方便，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，可以過載150% 1分鐘，全部采用單管IGBT或MOS方案

可靠性對比

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

等角度二者無本質(zhì)差異，逆變器可靠性更依賴于設(shè)計者設(shè)計能力、經(jīng)驗等，特斯拉電動車設(shè)計之初電驅(qū)就采用SIC mos多管并聯(lián)方案，其產(chǎn)品是電動車領(lǐng)域最為可靠的產(chǎn)品。

因此簡單的采用模塊和單管來對比逆變器的可靠性，并不客觀。

總 結(jié)：

筆者認(rèn)為逆變器設(shè)計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，無論從功率密度、產(chǎn)品性能等方面更具有優(yōu)勢。