一、IGBT的應用

電力電子技術在新能源汽車中應用廣泛，是汽車動力總成系統高效、快速、穩定、安全能量變換的基礎。新能源汽車中DC/DC拓撲主要應用于車載充電器，AC/DC拓撲主要應用于充電樁，DC/AC拓撲則主要應用于電機控制器。電機控制器用于實現大功率直流/交流變換之后驅動電動機，還可用于捕獲再生制動能量并回饋給電池組，是新能源汽車的“心臟”，決定了汽車的功能安全性，高速平穩性和綠色舒適性。

由于新能源汽車對續航里程的高需求，使得電能管理需求更精細化，這些對絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transister,IGBT)、MOSFET、二極管等功率分立器件的需求遠高于傳統汽車，在新能源汽車中功率半導體占了整車半導體的55%左右。

功率半導體器件作為電能轉換、驅動、控制等電力電子裝置的基礎和核心，是推動電力電子系統轉化效率、功率密度、體積重量等方面優化的關鍵因素之一。

下面來看看功率半導體IGBT的分布，其中紅色為后置發動機，綠色為前置發動機。機艙地板下方是四個電池組。逆變器(藍色)集成在電機外殼中，并與其共享冷卻回路。逆變器將電池的直流電轉換為電機交流電，也是IGBT模組安裝的地方。

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將動力系統單獨拆解來看，下圖是動力裝置：

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動力裝置爆炸拆解圖，其中包括電機(定子和轉子)，傳動部分(齒輪)，和控制部分(逆變器):

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從另一個方向來看動力裝置拆解:

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下圖是傳動部分局部細節圖:

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下面這張圖就是本文要講解的重點了——逆變器！也就是功率器件IGBT安裝的位置:

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新一代的IGBT功率器件如下圖所示：

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二、IGBT基礎知識

1946年1月，遠在太平洋彼岸的美國BELL實驗室正式成立了一個半導體研究小組，小組內有3名核心成員，分別是Schokley、Bardeen和Brattain，俗稱“晶體管三劍客”。

三劍客有自己的研究優勢，Bardeen提出了表面態理論，Schokley給出了實現放大器的基本設想，Brattain設計了實驗。

在三劍客成立的次年，1947年巴丁(Bardeen)和布萊登(Brattain)發明了點接觸(point?contact)晶體管。接著在1949年肖克萊(Shockley)發表了關于p?n結和雙極型晶體管的經典論文。有史以來的第一個晶體管中，在三角形石英晶體底部的兩個點接觸是由相隔50μm的金箔線壓到半導體表面做成的，所用的半導體材料為鍺；當一個接觸正偏(forward biased，即對于第三個端點加正電壓)，而另一個接觸反偏(reverse biased)時，可以觀察到把輸入信號放大的晶體管行為(transistoraction)。

1982年，RCA和GE公司聯合研制出了復合型晶體管——絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。IGBT兼具金屬氧化物半導體場效應晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)高輸入阻抗和雙極晶體管(Bipolar Junction Transistor,BJT)大電流密度的特點，在大功率應用領域擁有顯著的優勢，一度被稱為近乎理想的功率半導體器件。

既然說IGBT集成BJT和MOSFET的優點于一身，那么什么是BJT，什么是MOSFET呢？

在了解BJT和MOSFET之前，先了解一下什么是P-N結？

半導體應用離不開硅元素，來看一下硅元素的特點，在元素周期表中，硅排列在第14位，硅原子最外層有4個電子，分別與周圍4個原子共用4對電子，這種共用電子對的結構稱為共價鍵(covalent bonding)。每個電子對組成一個共價鍵。這部分知識初中化學學過，來張圖片直觀看看：

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左邊這張圖是單晶硅的晶體結構，為金剛石晶體結構。右邊這張圖是硅原子共用電子的情況，中間一個硅原子和四個硅兄弟共用電子。

突然有一天，物理學家想到一個問題，要是硅家不是和硅兄弟共用電子，把其他兄弟拉進群會怎樣？物理學家有一天把砷兄拉進了群，于是奇跡發生了：

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砷兄弟最外層有5個電子，其中4個電子找到了硅家的對象，另外一個電子單著了，這個電子成了無業游民，到處流竄，由于電子帶有電荷，于是改變了硅家的導電性。此時的砷原子多提供了一個電子給硅家，因此砷原子被稱為施主。

硅家的自由電子多了以后，帶負電的載流子增加，硅變成n型半導體。為啥叫N型？在英文里Negative代表負，取這個單詞的第一個字母，就是N。 同樣，物理學家想，既然可以拉電子多的砷元素進群，那么是否也可以拉電子少的硼原子進群？于是物理學家把硼原子拉進來試試。

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由于硼原子最外層只有3個電子，比硅少一個，于是本來2對電子的共價鍵現在成了只有一對電子，多了一個空位，成了帶正電的空穴(hole)。此時的硅基半導體被稱為p型半導體，同樣P來自英文單詞Positive(正極)的首字母，而硼原子則被稱為受主。

由p型半導體和n型半導體接觸形成的結稱為PN結。

舉個例子，P型半導體是一塊正方形的泥巴，這個泥巴里有很多孔洞（空穴），類似于我們看到的龍蝦洞。N型半導體也是一塊正方形的泥巴，這個泥巴中藏了很多龍蝦（自由電子）。當我們把這兩塊泥巴貼在一起的時候，龍蝦就會往龍蝦洞的方向爬（電子漂移）。在電子的漂移下，PN結中形成電流。

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再說一說晶體管的功能，晶體管(transistor，是轉換電阻transfer resistor的縮寫)是一個多重結的半導體器件。通常晶體管會與其他電路器件整合在一起，以獲得電壓、電流或是信號功率增益。

在電路中晶體管的主要作用是當作開關。可利用小的基極電流在極短時間內改變集電極電流由關(off)成為開(on)(反之亦然)。關是高電壓低電流，開是低電壓高電流。

雙極型晶體管(bipolartransistor)，或稱雙極型結晶體管(bipolar junction transistor，BJT)這個如何理解呢？

雙極型晶體管(bipolar transistor)的結構：雙極型器件是一種電子與空穴皆參與導通過程的半導體器件，由兩個相鄰的耦合p?n結所組成，其結構可為p?n?p或n-p-n的形式。

下圖為p?n?p雙極型晶體管的透視圖，其制造過程是以p型半導體為襯底，利用熱擴散的原理在p型襯底上形成一n型區，再在此n型區上以熱擴散形成一高濃度的p＋型區，接著以金屬覆蓋p＋、n以及下方的p型區形成歐姆接觸。

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下圖為p?n?p雙極型晶體管，具有三段不同摻雜濃度的區域，形成兩個p?n結。濃度最高的p＋區稱為發射區(emitter，以E表示)；中間較窄的n型區域，其雜質濃度中等，稱為基區(base，用B表示)，基區的寬度需遠小于少數載流子的擴散長度；濃度最小的p型區域稱為集電區(collector，用C表示)。各區域內的濃度假設均勻分布，p?n結的概念可直接應用在晶體管內的結上。

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了解了BJT后，再來了解下MOSFET的定義。先了解MOSFET的前半部分，也就是MOS器件。

金屬?氧化物?半導體(MOS)電容在半導體器件中占有重要的地位，它是研究半導體表面特性最有用的器件之一，它也是先進集成電路中最重要的MOSFET器件的樞紐。

理想MOS電容：MOS電容的透視結構如下圖所示，為其剖面結構，其中d為氧化層厚度，而V為施加于金屬平板上的電壓。當金屬平板相對于歐姆接觸為正偏壓時，V為正值；而當金屬平板相對于歐姆接觸為負偏壓時，V為負值。

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MOSFET有多種縮寫形式，如IGFET (insulated?gate field?effect transistor)、MISFET (metal?insulating?semiconductor field?effect transistor)、MOST (metal?oxide?semiconductor transistor)等。

n溝道MOSFET如下圖，它是一個四端點器件，由一個有兩個n+區域(即源極與漏極)的p型半導體組成。對于p溝道MOSFET，襯底和源、漏區的摻雜類型分別為n和p+。

氧化層上的金屬稱柵極(gate)，高摻雜或結合金屬硅化物如WSi2的多晶硅可作柵電極，第四個端點為連接至襯底的歐姆接觸。

基本器件參數有溝道長度L(兩個n+?p結間的距離)、溝道寬度Z、氧化層厚度d、結深度rj以及襯底摻雜濃度NA。器件中央即為MOS電容。

MOSFET的基本特性：MOSFET中源極接點作為電壓參考點。柵極無外加偏壓時，源極到漏極電極間可視為兩個背靠背相接的p?n結，而由源極流向漏極的電流只有反向漏電流。

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這些定義讀起來有些繞口，總體功能類似與一個水龍頭開關，可以控制水流流向及大小，在內部結構上，可以通過下圖來看MOSFET、BJT及IGBT內部結構差異：

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三、IGBT的內部結構

說了這么多，IGBT模塊是如何制造的?技術難點在哪呢?

下圖是幾款典型的IGBT模塊:

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對其中一款IGBT模塊進行拆解，IGBT模塊內部結構如下圖所示，在制造過程中主要可以分為兩部分，一部分是IGBT芯片的封裝及測試，另一部分是IGBT芯片的設計及制造:

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如果對IGBT模塊的結構進一步細分了解，IGBT模塊主要分以下幾部分:

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IGBT模塊主要包括以下幾個互連結構層：

(1)芯片：包括IGBT芯片和二極管芯片，它們是IGBT模塊的核心結構。

(2)直接敷銅陶瓷基板(DirectCopperBonded，DCB)：包括上銅層、陶瓷基板層和下銅層三個部分。上銅層的正面根據需求刻蝕成了電路，可以為IGBT芯片的集電極、發射極和柵極等電極提供中轉以及互連。陶瓷基板層常采用氧化鋁或者氮化鋁材料制成，它主要是為芯片和其下部的結構層提供絕緣，同時為芯片和上銅層提供支撐和散熱。下銅層的主要作用是為各個芯片提供散熱路徑。

(3)銅基板：它可以為芯片提供散熱通道，同時為其上部的結構層提供支撐。

(4)焊料層：主要起到了連通芯片、直接敷銅陶瓷基板的上銅層、直接敷銅陶瓷基板的下銅層和銅基板的作用。

(5)Al鍵合線：通常采用多根并聯的方式，鍵合線一端鍵合于芯片上，另一端鍵合于直接敷銅陶瓷基板的上銅層。Al鍵合線的主要作用是實現芯片與外部連接端子之間的互連。

(6)Al金屬化層：具有延展性好，導電性能優等特點，促成了IGBT芯片與Al引線的鍵合。

(7)外部連接端子：包括發射極母排和集電極母排，它們一端跨接在直接敷銅陶瓷基板的上銅層，另一端裸露于器件外部，主要實現IGBT芯片與外部電路的互連。

(8)硅膠：用于保護各互連結構層免受外部酸堿腐蝕，同時可以保護各互連結構層免受振動沖擊。

(9)外殼：包括由環氧樹脂制成的側框和上部的管蓋，可以保護IGBT模塊內部的互連結構層免受外部環境的影響。

四、IGBT模塊封裝技術

在講解IGBT模塊制造環節時，我們先了解IGBT模塊的封裝部分。

典型功率模塊的外觀及截面如下圖所示，其中上銅層布置功率半導體/二極管芯片/鍵合線等電氣部分，由DBC提供電路布局、絕緣、傳熱、機械支撐等功能，散熱基板向上支撐襯板，向下與散熱介質接觸。傳熱路徑上主要部件依次為功率芯片、芯片焊料、上銅層、陶瓷、下銅層、DBC焊料與基板。

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下圖是一款IGBT模塊的內部結構，在IGBT模塊內部集成了6個IGBT芯片，分別命名為IGBTⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。這6個IGBT芯片分為上、下兩個半橋臂，其中，IGBTⅠ、Ⅱ、Ⅲ并聯連接組成上半橋臂，IGBT Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ并聯連接組成下半橋臂，兩個半橋臂之間串聯連接。每個IGBT芯片的兩端反并聯有1個二極管，用于實現續流。

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在解決IGBT封裝問題上，大部分精力集中在解決IGBT模塊的散熱上，畢竟任何功率器件在溫度過高的環境下更容易老化失效。

在IGBT的封裝結構優化上，主要從兩方面進行了考慮，一方面就是封裝過程中引線鍵合方式，俗稱綁定(英文Bonding的讀音)，另一方面就是芯片的布局方式優化。

在引線鍵合方式的優化上，綁定落點數量的增加有利于降低芯片金屬層中落點周圍的電流密度，當新增一個落點后，芯片金屬層的最大電流密度降低了20%，這使得功率循環性能提高了4倍。自此，多落點綁定線結構在高電流大面積芯片中廣泛采用。

為了有效緩解綁定落點的熱應力，多樣化的綁定線布局方式可用于降低芯片溫度。ABB公司提出了一種多落點綁定線結構，它與傳統布線之間的對比如圖所示。

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根據對IGBT模塊芯片不同布局方式進行熱力學仿真分析發現，IGBT芯片在不同布局方式下，散熱情況存在差異：

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因此，國內外學者在電控功率模塊封裝布局熱優化上進行了初步實踐。針對多芯片并聯結構調整芯片的位置，使其離射極電極位置更近，芯片布置從部分交錯式改為水平對齊式，從而使芯片支路電流不均衡度從50%降低到33%。

根據不同產品的設計，布局設計自由度有回路數量、芯片布局范式、DBC尺寸、綁定布線范式、綁定DBC落點位置、開爾文布線、射極電極位置等。

下圖是不同公司IGBT模塊芯片布局方式：

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通過匯總了各模塊的封裝布局特征，歸納可知綁定線含并排式、交錯式、疊層式，多芯片布局含部分交錯式、連續交錯式、水平對齊式、豎直對齊式等。

其中圖(g)(h)采用多芯片布局采用雙回路結構。圖(d)多芯片間采用了串聯式開爾文布線結構。圖(g)射極電極設立在芯片1之下。

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通過對IGBT芯片布局的優化，可有效降低芯片支電流，降低單芯片發熱量，下圖是將3片芯片布局方式進行優化后，芯片支路電流的變化。

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五、IGBT芯片制造技術

功率器件IGBT模塊芯片生產流程長，工藝復雜，細節較多，但整理工藝流程如下圖所示：

1.基板

IGBT基板是P-N結

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2.B+注入

使用離子注入設備，對P-N結進行離子注入

3.絕緣膜形成

通過CVD形成掩膜絕緣層

4.掩膜用絕緣膜加工

通過刻蝕和去膠處理絕緣膜

5.P+注入

使用離子注入設備進行P離子注入

6.形成溝槽

通過刻蝕形成溝槽

7.形成絕緣膜

再次通過CVD形成絕緣膜

8.絕緣膜加工

通過刻蝕和去膠處理絕緣膜

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9.形成Emitter電極

通過濺射或蒸鍍形成電極

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10.形成P+FS層

通過離子注入設備形成P+FS層

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11.形成B+(Collector)

通過離子注入設備形成B+(Collector)

12.形成Collector

通過濺射或蒸鍍形成Collector

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通過上述工藝，完成了一個標準的IGBT芯片的制造流程。

下圖是詳細IGBT芯片內部結構：

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根據對IGBT芯片內部結構設計的不同，又可分為PT型、NPT型、FS型，如下圖所示：

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六、SiCIGBT優勢及應用

目前報道的Si IGBT最高耐壓是8.4kV，并且已經非常接近Si器件的極限。同時，工作頻率和結溫也是限制Si IGBT的主要因素之一。

碳化硅(SiliconCarbide,SiC)絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)在超高壓電力傳輸系統等超高壓應用領域具有廣泛的應用潛力。

SiC于1823年在斯德哥爾摩karolinska大學的化學實驗室中被Jons Berzelius教授發現。1987年，美國CREE報導了其制造的6H-SiC單晶，宣布SiC正式進入了一個高速發展的時代，CREE也成為全球第一家制造和銷售SiC晶片和器件的公司。

2001年推出第一款商業SiC二極管器件，SiC開關管器件逐漸成熟，SiC結型場效應管(Junction Field Effect Transistor,JFET)、金屬氧化層半導體場效應管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)的開發逐步從實驗室研發階段進入商業化階段。JFET器件和MOSFET器件為單極型器件，其開關速度高，主要適用于0.6kV~10kV 的范圍，雙極結型晶體管(Bipolar Junction transistor,BJT)、絕緣柵雙極型晶體管(InsulatorGate Bipolar Transistor,IGBT)、門極可關斷晶閘管(Gate Turn-off Thyristor,GTO)為雙極型器件，適用于10kV以上高壓范圍。

2006年發布了世界首款SiC商業化開關器件JFET器件。2008年分別發布了首款SiC BJT器件和常關型的SiC JFET。但MOSFET器件的產品化一直處于空白之中。隨著工藝技術的發展尤其是柵氧界面處理技術的成熟，2010年Cree和Rohm推出了平面柵MOSFET產品。

2015年Rohm從原來的平面柵MOSFET切換技術路線成為了雙溝槽柵MOSFET，Infineon于2017年發布了溝槽柵MOSFET產品。

下表中列出了幾種常見半導體的材料特性，從中可以看出4H-SiC的禁帶寬度是Si的約3倍，同一溫度下SiC擁有更低的本征載流子濃度；臨界電場約10倍，使SiC可以耐受更高的電壓；飽和漂移速度約2倍，使SiC器件具有高速、高頻的特性優勢；熱導率約3倍，使SiC器件可以在更高的溫度下工作，減小散熱系統體積從而減小整機體積。

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同時，雖然SiC是化合物半導體材料，但是仍然可以在其上通過熱氧化的方法形成二氧化硅(SiO2)層，這對于制造SiC柵控型器件非常有利。以上種種優勢使得SiC和氮化鎵(GalliumNitride,GaN)、金剛石材料(Diamond)一起被譽為發展前景十分廣闊的第三代半導體材料。

得益于SiC優良的材料特性，SiC IGBT在超高壓(≥15kV)應用領域具有不可替代的地位，例如電力傳輸、電力存儲、超高壓電網接口等超高壓電力傳輸系統，以及艦船全電推進系統中的電能管理系統、全電推動航天器。

目前，SiC IGBT已經成為各國半導體研究工作的重點。

七、SiCIGBT的內部結構

碳化硅MOSFET是目前碳化硅器件中最受關注的開關型器件，主要功率器件的企業(Cree、ST、Rohm、Infineon等)都推出了相關的產品。每代產品都在元胞設計、導通壓降以及柵極驅動電壓方面不斷進步。其中Cree和ST專注于平面柵MOSFET的開發，Rohm公司推出了第一代和第二代平面柵MOSFET之后推出了第三代的溝槽柵MOSFET，亦采用了溝槽柵MOSFET。MOSFET器件的發展趨勢就是更小的比導通電阻。

隨著材料生長和工藝的逐步成熟，SiC逐步應用于垂直功率器件。然而早期由于受到SiC離子注入工藝水平的制約，研究人員采用外延摻雜的方式來生長MOSFET的N+區和P阱區。由于溝槽型MOSFET工藝較為簡單，1993年該工藝成為最先被用于研制SiC MOSFET器件。

由于溝槽型MOSFET耐壓較低，并且隨著離子注入和高溫退火激活工藝的不斷成熟，研究重點又從溝槽型MOSFET變為平面柵雙注入MOSFET(DMOSFET)。

傳統N溝道穿通型SiC IGBT器件的元胞結構如下圖所示，其中(a)是平面型結構， (b)是溝槽型結構。

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在芯片制造時，碳化硅材料中N型離子注入工藝，常見摻雜離子包括氮離子(N)和磷離子(P)。針對碳化硅材料中P型離子注入，常見的摻雜離子包括鋁離子(Al)和硼離子(B)。

離子注入工藝后，注入區域產生大量的缺陷，且摻雜離子大部分處于原子間隙位置，未能產生有效地激活，因而需要退火工藝對缺陷進行修復。

碳化硅平面柵MOSFET器件的工藝如下圖所示。

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第一個工序需要在外延片上進行對準標記的制作，且需要使用該對準標記與后面的圖形進行對準。第二至第四個工序，都需要離子注入工藝。離子注入工藝決定了結的形貌和相互關系，在平面柵MOSFET中尤其重要。

第二個工序利用Al元素進行P阱的離子注入。

第三個工序利用N元素進行N+的離子注入。

第四個工序利用Al元素同時進行源區以及結終端區域的離子注入。

第五個工序中需要高溫退火和熱氧化工藝。

第六個工序工藝生長多晶硅柵及其圖形化刻蝕工藝。

第七個工序是鈍化層工藝。

第八個工序是歐姆接觸工藝。

通過上述主要工藝后，即完成碳化硅平面柵MOSFET器件的制造。

SiC是寬禁帶半導體材料，相比Si而言具有更大的禁帶寬度，更高的臨界擊穿場強和熱導率等優異的材料特性。因此在相同條件下，SiC電力電子器件具有更高的阻斷電壓，更大的輸出功率、更高的工作頻率以及更好的溫度特性等優勢。

八、總結

隨著SiC MOSFET器件逐步使用，對其技術性能的要求越來越高，其中器件的可靠性成為關注重點。從平面柵和溝槽柵的對比來看，平面柵MOSFET由于不存在柵槽，因此其可靠性相對優異。在市場上，平面柵MOSFET已逐步進入市場，甚至部分進入了電動車領域，而溝槽柵MOSFET正在進行可靠性的測試。

如今使用碳化硅MOSFET體二極管作為續流二極管的場合越來越多，而其體二極管由于為PN二極管，因此其開啟電壓較高，會帶來較高的導通損耗。同時PN二極管也會在高溫使用場景中帶來較大的反向恢復電荷，導致整機應用的效率降低。

總的來說，在新能源汽車應用越來越成熟的情況下，IGBT的功能及材料的提升也將得到快速發展。

審核編輯：劉清