IGBT技術(shù)―――半導(dǎo)體技術(shù)與封裝的完美匹配

0 引言

在日益增長的變頻器市場，許多廠商提供性能和尺寸各異的變換器類型。這正是以低損耗和高開關(guān)頻率而著稱的新IGBT技術(shù)施展的舞臺。在62 mm(當(dāng)前模塊的標(biāo)準(zhǔn)尺寸)模塊中使用新IGBT技術(shù)可使用戶不必改變其機械設(shè)計概念而獲益。

基于平臺技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)62 mm SEMITRANSR模塊，由于針對IGBT和二極管采用了不同的半導(dǎo)體技術(shù)，因此適合于多種應(yīng)用場合。采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸模塊外殼這一事實意味著用戶有更多可供選擇的供應(yīng)商。

新1 200 V系列模塊為我們展示了外殼和半導(dǎo)體之間的匹配是多么的完美，該系列產(chǎn)品基于英飛凌的IGBT4技術(shù)和賽米控穩(wěn)健可靠的新CAL4二極管。

1 半導(dǎo)體開關(guān)中的IGBT和二極管

在電力電子技術(shù)中半導(dǎo)體器件IGBT 和二極管僅作為開關(guān)，“理想的開關(guān)”必須滿足以下條件：

通態(tài)壓降Vd = 0，與當(dāng)前導(dǎo)通電流無關(guān);

反向電流Ir = 0，在最大允許反向電壓以下;

開關(guān)損耗Psw = 0，與當(dāng)前被切換的電流和直流母線電壓無關(guān);

熱阻Rth無足輕重，因為沒有損耗產(chǎn)生。

然而，在實際的開關(guān)中，存在大量的正向壓降和開關(guān)損耗，因而設(shè)計中的熱阻處理技術(shù)對模塊性能來說是至關(guān)重要的。本文討論了IGBT2、IGBT3 以及EMITRANSR模塊采用的新IGBT4 半導(dǎo)體技術(shù)之間的區(qū)別，并展示了在某些情況下新IGBT4技術(shù)所帶來的性能提升。

2 芯片技術(shù)的進展

圖1(a)顯示了基于英飛凌溝槽柵場截止(FS)IGBT4 技術(shù)和賽米控CAL4 續(xù)流二極管的新一代芯片的基本結(jié)構(gòu)。

IGBT4基本上是基于已知的IGBT3 溝槽柵結(jié)構(gòu)并結(jié)合經(jīng)優(yōu)化的包含n-襯底、n-場截止層和后端發(fā)射極的縱向結(jié)構(gòu)。與第三代IGBT相比，這將使總損耗更低，開關(guān)行為更為輕柔，同時芯片的面積也更小。此外，pn 結(jié)的最高結(jié)溫Tjmax 從150益升高至175益。這將在靜態(tài)和動態(tài)過載情況下建立一個新的安全裕度。IGBT4系列產(chǎn)品的特點是有一個為高、中、低功率應(yīng)用而優(yōu)化的縱向結(jié)構(gòu);開關(guān)性能和損耗適用于給定的功率等級。這里所展示的結(jié)果集中在中等功率范圍(50~600 A)的應(yīng)用，采用的是低電感模塊，開關(guān)速率在4~12 kHz之間(這相當(dāng)于IGBT4L)。

當(dāng)在更高電流密度情況下使用新一代IGBT，具有高電流密度的續(xù)流二極管也是需要的，尤其是對《變頻技術(shù)應(yīng)用》2008年第3期那些具有最大芯片封裝密度的模塊。基于這個原因，在現(xiàn)有CAL(可控軸向長壽命)二極管技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了新的CAL4 續(xù)流二極管，其特點在于對任何電流密度的軟開關(guān)性能，耐用度(高di/dt)好以及低反向恢復(fù)峰值電流和關(guān)斷損耗。CAL4 FWD的基本結(jié)構(gòu)只是背面帶有n/n+結(jié)構(gòu)的薄n-襯底，如圖1(b)所示。為了減少產(chǎn)生的損耗，n緩沖層被優(yōu)化，采用較薄n+晶圓，使活動表面積增大(即小邊結(jié)構(gòu))，縱向載流子壽命被優(yōu)化。因此，新的，經(jīng)過改進的CAL4 二極管很出色，除了電流密度提高了30%，其正向電壓更低，切換損耗也與上一代相類似(CAL3，Tjop =常數(shù))。為增加pn結(jié)的最高結(jié)溫至175益，使用了新的邊緣端鈍化技術(shù)。受益于上述的優(yōu)化工作，CAL4FWD是第四代IGBT應(yīng)用的完美匹配。

新一代芯片擴大了的溫度范圍———175益(Tjmax)在適當(dāng)?shù)目煽啃栽囼炛羞M行了驗證，例如，柵應(yīng)力，高溫反偏(HTRB)，高濕高溫反偏(THB)測試。

英飛凌的3 個主要IGBT 技術(shù)系列的最重要的專用參數(shù)如表1 所列，它們都為1 200 V SEMI原TRANSR模塊所使用。

3 模塊外殼的要求

SEMITRANSR模塊外殼的主要參數(shù)以及這些參數(shù)對最終產(chǎn)品性能所產(chǎn)生的影響的詳細信息如表2所列。

3.1 端子電阻

模塊的端子電阻對電路的工作效率的影響如圖2所示。在圖2所示的例子中，舉例的開關(guān)導(dǎo)通損耗比SEMITRANSR高11%。這相當(dāng)于一個每相絕對值約90 W，三相共270 W的功率變頻器。

3.2 熱阻

這一參數(shù)影響最大允許功率損耗，從而也影響模塊中IGBT和二極管的最大允許的集電極電流。下列因素對決定熱阻的大小至關(guān)重要：

芯片尺寸(面積);

模塊設(shè)計[焊接、陶瓷基板(DCB)、基板];

系統(tǒng)設(shè)計(導(dǎo)熱硅脂，散熱器)。

不考慮半導(dǎo)體的成本，其通常會占到模塊總成本的50%以上，外殼的選擇會對模塊的額定電流產(chǎn)生巨大的影響。文獻[2] 描述了確定熱阻的過程。

3.3 絕緣強度

用于焊接半導(dǎo)體芯片的陶瓷基板的厚度和類型，以及軟模的特性將在很大程度上影響SEMITRANSR模塊的絕緣強度。

3.4 開關(guān)電感LCE及其實際效果

電感LCE對IGBT關(guān)斷時產(chǎn)生的過電壓來說是一個重要的參數(shù)

在實際中，高電感與關(guān)斷期間所產(chǎn)生的過電壓一樣，都是不利的。高電感意味著器件的最大反向電壓會很快達到，尤其在高直流母線電壓的情況下。例如，當(dāng)在甩負荷或在功率回饋模式下。當(dāng)使用低電感模塊時，可以實現(xiàn)高可靠性和最高效率。模塊電感對最大關(guān)斷電流的影響如圖3 所示，圖中顯示了SEMITRANSR3和與其作對比的不同形狀封裝“C”之間的差異。由于模塊的電感小，SEMITRANSR3在芯片的最大反向電壓達到之前可切換的電流值要比“C”高30%。受益于主端子加上用于DCB的對稱并聯(lián)設(shè)計，SEMITRANSR模塊可實現(xiàn)低電感(請注

意，由于模塊電感，半導(dǎo)體芯片上實際產(chǎn)生的電壓永遠高于端子上產(chǎn)生的電壓)。

3.5 并聯(lián)時芯片的對稱電流分布

SEMITRANSR模塊中，并聯(lián)的芯片(IGBT 和二極管)多達8個(見表2)。二極管并聯(lián)尤其具有挑戰(zhàn)性，因為Vf的負溫度系數(shù)會降低額定電流。為此，SEMIKRON開發(fā)了定制解決方案，滿足高功率應(yīng)用(為靜態(tài)和動態(tài)功率分配進行了優(yōu)化)及高直流環(huán)母線電壓應(yīng)用(在關(guān)斷時動態(tài)過電壓限制)。進一步信息可在文獻[1] 中找到。

3.6 多模塊的并聯(lián)

對于幾個模塊并聯(lián)的情況，功率降額必須盡可能低。此時，IGBT參數(shù)VCEsat的正溫度系數(shù)具有正面的影響。對于二極管的情況，可以采取3.5中描述的那些步驟。正如文獻[1] 中所定義的，SEMITRANSR模塊中降額系數(shù)介于90%和95%之間。

4 展望未來

得益于采用了第四代溝槽柵IGBT和CAL 二極管的新1 200 V模塊，SEMITRANSRIGBT模塊將能夠續(xù)寫其成功應(yīng)用案例。與同功率等級的其它模塊相比，新系列模塊所帶來的性能提升不僅取決于采用了新一代的芯片，而且還取決于低的端電阻和相對較低的雜散電感。