大功率器件IEGT的前世今生

　　歷史上東芝在中國(guó)因?yàn)榧译娐劽?，上世紀(jì)八十年代的中國(guó)電視上最經(jīng)典的東芝廣告 “Toshiba，Toshiba，新時(shí)代的東芝”幾乎家喻戶曉。東芝產(chǎn)品也以高品質(zhì)著稱。

　　具備世界一流品質(zhì)的東芝大功率半導(dǎo)體器件在工業(yè)領(lǐng)域也同樣有著悠久的歷史和良好的口碑，廣泛應(yīng)用于“發(fā)電—輸配電—用電”的整個(gè)能源鏈。

東芝大功率器件

　　東芝大功率器件有悠久的歷史，從上世紀(jì)六十年代開始生產(chǎn)可控硅器件，上世紀(jì)八十年代在全球范圍內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)IGBT器件商業(yè)化，在上世紀(jì)九十年代率先商業(yè)化了壓接型的IGBT器件(PPI：Press Pack IGBT)，目前已經(jīng)開發(fā)了混合型SiC大功率器件并且得到商業(yè)應(yīng)用，后續(xù)將推出純SiC大功率器件。

　　PPI器件得益于東芝領(lǐng)先的技術(shù)和獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在日本和歐洲得到了許多客戶的青睞，目前在中國(guó)市場(chǎng)也得到越來越多的認(rèn)可，是大功率器件的重要發(fā)展方向。

IEGT的來源

　　在上世紀(jì)九十年代，東芝率先通過柵極注入增強(qiáng)技術(shù)降低IGBT器件的靜態(tài)損耗，并且以柵極注入增強(qiáng)技術(shù)(Injection Enhanced Gate Transistor)的首字母注冊(cè)了東芝專屬的IGBT器件名稱——IEGT，IEGT可以理解為是東芝IGBT的專有名稱。

　　IEGT和IGCT器件是有著本質(zhì)不同的。前者是電壓型器件、后者是電流型器件。IEGT的電路拓?fù)渖喜恍枰渲藐枠O電抗器和RDC-snubber電路。

IEGT的兩種封裝形式

PMI (Plastic case Module IEGT)

圖3 PMI(Plastic case Module IEGT)

　　PMI封裝是業(yè)界IGBT模塊比較常見的形式。

　　東芝的PMI封裝通過采用鋁碳化硅基板實(shí)現(xiàn)更好的散熱效果，采用高CTI(CTI=Comparative Tracking Index 相比漏電起痕指數(shù))的材質(zhì)實(shí)現(xiàn)更好的絕緣性。是可以應(yīng)用于軌道交通牽引這樣的苛刻工況的。

PPI(Press Pack IEGT)

圖4 PPI(Press Pack IEGT)

　　PPI是東芝率先商業(yè)化的獨(dú)特封裝的IGBT器件。隨著中國(guó)市場(chǎng)對(duì)高可靠性、大功率密度IGBT需求的增長(zhǎng)，PPI未來擁有越來越廣闊的市場(chǎng)。

　　東芝的PPI有如下特點(diǎn)：

　　1)高可靠性：因?yàn)槠骷p面散熱并且內(nèi)部芯片通過無引線的方式鍵合，所以功率循環(huán)壽命的表現(xiàn)優(yōu)異;

　　2)功率密度大：?jiǎn)晤w器件目前最大規(guī)格是 4.5KV/3KA，遠(yuǎn)超PMI的4.5KV/1.2KA規(guī)格;

　　3)防爆性能優(yōu)異：由于采用陶瓷外殼，器件的防爆能力遠(yuǎn)超塑料外殼的PMI器件;

　　4)方便壓接使用：采用圓形封裝，便于壓力均勻傳導(dǎo)至器件內(nèi)部每一顆芯片;

　　5)方便器件串聯(lián)：由于器件的上下側(cè)分別是發(fā)射級(jí)和集電極，從結(jié)構(gòu)上和紐扣電池一樣方便多顆串聯(lián)。

PPI的結(jié)構(gòu)

圖5 PPI外觀

　　如圖5所示，PPI器件的上側(cè)是器件發(fā)射極，下側(cè)是器件集電極，側(cè)面的陶瓷管殼上引出柵極端子和輔助發(fā)射極端子連接驅(qū)動(dòng)板。器件外觀和傳統(tǒng)的晶閘管器件接近。

圖6 PPI剖解

　　如圖6所示，PPI器件內(nèi)部包含了柵極引線PCB基板、半導(dǎo)體芯片、芯片保護(hù)樹脂隔板、鉬金屬片、柵極引腳插針。

圖7 PPI內(nèi)部芯片

　　圖7展示了PPI內(nèi)部的芯片，左側(cè)是快恢復(fù)二極管芯片，右側(cè)是IEGT芯片。IEGT芯片右上角的小正方形區(qū)域是柵極，通過柵極引腳插針連接到柵極引線PCB基板上從而匯聚至側(cè)面陶瓷管殼上的柵極端子。柵極引線PCB基板經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)以保證各個(gè)芯片的一致性。

圖8 PPI內(nèi)部側(cè)視圖

　　圖8展示了PPI內(nèi)部的側(cè)視圖，可以看出芯片是通過金屬鉬材料連接到發(fā)射極和集電極的銅基板上，并沒有通過焊接引線的方式連接芯片和器件外部電極端子，所以不存在PMI器件在長(zhǎng)期熱循環(huán)工作后引線開裂、斷路的失效模式。

IEGT應(yīng)用場(chǎng)景

　　基于IEGT優(yōu)異的產(chǎn)品性能，廣泛應(yīng)用在各種大功率驅(qū)動(dòng)設(shè)備以及柔性直流輸電場(chǎng)景。

圖9 PMI部分應(yīng)用示例

圖10 PPI 部分應(yīng)用示例

　　基于PPI的高可靠性、高功率密度特性，已經(jīng)成功用于多個(gè)柔性直流輸電重點(diǎn)工程：

圖11 PPI用于目前世界最高容量的柔性直流輸電工程(±350kV，1000MW)

PPI的應(yīng)用支持

　　由于國(guó)內(nèi)部分客戶對(duì)PPI器件不熟悉，可以提供壓接及功率單元組件的支持。我們可以展示PPI的應(yīng)用注意事項(xiàng)、配套耗材(驅(qū)動(dòng)板、散熱器、結(jié)構(gòu)組件)的推薦供貨渠道以方便客戶快速完成新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作。

圖12 MMC結(jié)構(gòu)PPI組件

圖13 三電平結(jié)構(gòu)PPI組件A

圖14 三電平結(jié)構(gòu)PPI組件B

IEGT近期方向

　　東芝會(huì)繼續(xù)強(qiáng)化在PPI器件上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，繼續(xù)開發(fā)更大電流、更大電壓的產(chǎn)品。例如，在4.5kV/3kA器件相同的封裝下實(shí)現(xiàn)單顆器件4.5kV/4kA通流能力?？蛻艨梢匝赜靡郧暗脑O(shè)計(jì)通過采用新一代的PPI實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的容量升級(jí);在保持大電流能力的情況下實(shí)現(xiàn)單顆器件耐壓的升級(jí)?？蛻艨梢允褂酶俚钠骷?shí)現(xiàn)一樣的電壓等級(jí)產(chǎn)品。