應用于工業(yè)牽引的軟穿通IGBT技術的大功率模塊

1　引言

　　隨著軟穿通igbt技術的引入，產生了igbt設計上和特性上的新標準，特別適用于中等功率的市場。將傳統(tǒng)的npt（非穿通型）igbt的高強度和低損耗兩個特點相結合，已經使spt-igbt成為1200v-1700v電壓范圍的標準產品。為了充分利用spt-igbt這一技術特性，1200v-1700vlopak模塊的范圍擴展至額定電流75a-300a。

　　現在，因為額定電流為2400a的新一代大功率工業(yè)標準模塊的封裝尺寸增加了140×130（e1），140×190（e2），1700v-sptigbt的封裝類型得到了擴展，圖1為新型號1700v-spt igbt的e2標準封裝?；诟呖煽啃?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/應用">應用的經驗，設計出了適用于工業(yè)牽引應用的新的封裝類型。

　　與已經應用的1700v標準模塊相比，主要損耗減少了大約20%。除了極低的靜態(tài)和動態(tài)損耗外，1700v-sptigbt表現為明顯的正溫度系數。這一特點適用于并聯工作狀態(tài)，尤其適合如e1/e2類型這樣的大電流模塊。盡管sptigbt的損耗較低，但它的短路電流和開關強度均較大，而且，獨特的軟穿通結構的電磁干擾很小。spt技術發(fā)展的同時，新的軟快速恢復二極管也被開發(fā)用于輔助spt的特性。新的二極管在任意條件工作時，表現出軟恢復和極耐用的的特性。因為并聯使用，二極管也要求正的溫度系數。

2　1700v的芯片組技術

　　如圖2所示，文獻［1，2］中證明，標準的平面工藝與軟穿通概念的結合可得到性能更好的igbt，它比npt結構的損耗更低，約小20%。spt技術的通態(tài)損耗與使用溝道工藝的相同額定電流元件的通態(tài)損耗相似。因為工藝技術很成熟，為使單位面積上的成本更低，選用了平面設計。與平面單元的概念相結合，可以使得熱阻更小，耐用性更強。

　　spt的含義是在igbt的陽極一邊有一個低摻雜的緩沖層。在額定直流電壓下，空間電荷區(qū)并沒有延伸到這一緩沖區(qū)。然而，在更高的電壓下，spt緩沖區(qū)使電流在關斷時更平滑。因此，盡管基區(qū)減薄了30%，spt-igbt的動態(tài)電特性仍與基區(qū)更厚的npt-igbt相仿。這種方法當芯片在大電流模塊如e1和e2類型時更重要，因為這時電壓過沖的峰值在igbt關斷時可以達到其臨界值，將引起大的震蕩，提高電磁干擾等級。另外，相對于改變門極電阻，優(yōu)化了spt-igbt的輸入電容，可更好的控制開通di/dt。igbt可以得到一個更快的電壓延遲，進一步減少了igbt的開通損耗。

　　另外，1700v快速和軟恢復二極管的發(fā)展也增加了1700vspt-igbt的優(yōu)勢。二極管采用了最新的設計技術和控制壽命的方法，其動態(tài)、靜態(tài)的損耗更小，且具有軟恢復特性和更小的電磁干擾。而且，igbt和二極管在開通時均為正溫度系數，保證在大電流模塊工作時，并聯的硅芯片的電流實現均衡。

　　隨著1700vspt-igbt的引入，使用一簡易的測試裝置，對1700v的芯片組進行了可靠性測試，測試與封裝形式無關，因此可代表許多類型的模塊。通過測試裝置，從芯片的觀點看，成功地完成了三種相關的可靠性測試（htrb、htgb和thb）高溫反向偏壓和溫度濕度測試。并且，為了減少igbt和二極管由于宇宙射線引起的失效率，優(yōu)化了元件的設計。測試表明，在25℃，900v直流回路電壓條件下，每個芯片可接受的失效率為1%。

3　1700v-spt igbte1 e2模塊產品

　　1700ve1/e2模塊產品類型完全利用了1700vspt-igbt和二極管芯片組的特性。在不同的電流值下，可以提供一定范圍的標準配置。1700vspt-igbte1/e2模塊使得單個開關igbt拓撲結構的額定電流從1200a提升到2400a。

　　最新開發(fā)的模塊使用最新的alsic作基板和aln作基片，提高了功率循環(huán)負荷能力，與spt igbt芯片相結合，可降低總熱阻。

　　為了提高電特性，降低電磁干擾，我們進行了精心設計，優(yōu)化了硅芯片和襯底的內部連線和布局，使得發(fā)生在芯片間的振蕩最小。這種振蕩也會因模塊的內部電流不匹配而產生。

4　1700v/2400ae2模塊的電特性

　　通過使用igbt和二極管芯片組，我們對1700v/2400a的spt-igbte2模塊進行了測試，證實其具有良好的電特性。模塊分別在開通、關斷和短路條件下進行了靜態(tài)和動態(tài)和安全工作區(qū)（soa）測試。

　　（1） 靜態(tài)特性

　　圖3顯示了1700v/2400a e2模塊在不同的門極電壓下的輸出特性。

　　因為使用了薄基區(qū)結構，而且還優(yōu)化了芯片單元的設計，1700vspt-igbt與傳統(tǒng)的npt結構相比，通態(tài)損耗減少了20%。圖4顯示了1700v/2400a spt-igbte2模塊，在芯片時的通態(tài)特性。圖4（a）中，1700v/2400ae2模塊在額定電流下，25℃時的通態(tài)電壓為2.3v，125℃時通態(tài)電壓為2.6v。

　　曲線也表明，在電流較小時，溫度系數仍為正值，可防止元件并聯工作時，因為熱不穩(wěn)定而引起的電流不匹配。二極管在25℃時，通態(tài)電壓較低，為1.9v，125℃時為1.95v，其溫度系數也是正的，與模塊內的igbt正好相匹配。

　　為了確保在低溫下，如40℃時，所需的1700v電壓的spt-igbt和二極管，有足夠的電壓余量，其阻斷電壓均應選為1850v。

　?。?） 開關特性

　?。╝）　spt-igbt

　?。╞）　二極管在 25℃和125℃條件下

　　圖5和圖6分別為1700v/2400a的e2模塊在關斷和開通時的開關特性。實驗的條件是：在額定電流下，直流母線電壓為900v。我們看到，在1700v

　　spt-igbt的開關瞬間的關斷電流很平滑。由于基區(qū)減薄，又有spt緩沖層，尾電流的曲線很短。因此在125℃和額定條件下，eoff關斷損耗只有大約1焦耳。這一損耗值與相同條件的npt-igbt相比少了20%。另外，拖尾電流很短，使得開關速率提高，同時也降低了電壓過沖和電磁干擾。圖b為開通時的開關波形。因為使用了優(yōu)化設計的二極管，igbt的開通損耗也大大地降低，反向恢復二極管的波形曲線如圖7所示。

　　（3） 安全工作區(qū)（soa）的特性

　　1700v/2400ae2模塊有很好的耐用性，在igbt關斷（rbsoa）和短路條件時（scsoa），有一很寬的安全工作區(qū)。圖8為1700v/2400ae2模塊在關斷rbsoa時的開關特性。元件上加了2倍的額定電流4800a，溫度125℃，直流電壓1300v。在大功率模塊，例如e1、e2中，大量的igbt芯片并聯使用。電流上升率di/dt也因并聯的igbt個數而成倍的增加。如此大的di/dt值和雜散電感可以引起很高的過壓。模塊在高的直流電壓和大電流下工作，如果沒有采取特殊的手段，那么關斷過壓有可能超過igbt額定的電壓。

　　為了額外的過壓加在igbt上，我們通常在rbsoa測試中使用有源箝位。圖9為有源箝位的原理圖。使用抑制二極管來鉗制過壓。如果igbt的關斷過壓超過了抑制二極管的齊納擊穿電壓，igbt的門極電壓將被抬升。因此，集電極電流上升的斜率更緩，限制了過壓。當igbt開通時，為避免門極電流流入集電極，我們使用了肖特基二極管。另外，我們推薦使用一個電阻來減少抑制二極管的電流。為保護igbt的門極不受過壓的影響，采用了一雙向抑制二極管。在rbsoa試驗裝置中，我們使用1450v水平的箝位電壓來抑制二極管。因為動態(tài)效應，關斷過壓通常要比抑制二極管的齊納電壓高很多。為了使有源箝位的反應速度更快，還可以將一附加的電容并聯在抑制二極管上。這一電容也可以抑制igbt開通和關斷時的dv/dt。不過，在試驗電路中，我們沒有選用電容。

　　圖10和11顯示了溫度分別為25℃和125℃時，1700v/2400ae2模塊的二極管反向恢復特性曲線。電流為2倍額定電流4800a，直流電壓為1300v。1700v二極管的動態(tài)特性確保了它在各種條件下，尤其是在低溫和小電流時，具有軟恢復、高耐用性和高可靠性的特點。

　　在不同的集電極電流ic下，spt-igbt的關斷和開通損耗、二極管開通時的反向恢復電荷、電流和能耗曲線如圖12和圖13所示。

　　圖14顯示了在25℃和125℃時，1700v/2400a spt-igbte2模塊在短路時軟關斷情況下的波形，直流電壓為1300v，短路時間為10μs。電流波形圖顯示，對于2400v模塊，在25℃時，最大的短路電流為13×103a;在125℃時，最大的短路電流為11.5×103 a。

5　結論

　　本文討論了利用spt-igbt和二極管芯片組構成的新的1700v spt-igbt e1/e2的模塊產品類型。1700vspt-igbt和二極管芯片技術提供了高強度、低功耗和具有良好電磁兼容的開關特性。1700v/2400a spt-igbte2模塊的實驗結果，證明了其具有優(yōu)良的電特性。應用spt芯片技術的abbe1/e2工業(yè)標準模塊，將給用戶提供特性更好、封裝更可靠的元件，用來滿足牽引等其它工業(yè)應用的需要。