更高額定電流的第8代LV100 IGBT模塊

摘要
本文介紹了為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的第8代1800A/1200V IGBT功率模塊，該功率模塊采用了先進(jìn)的第8代IGBT和二極管。與傳統(tǒng)功率模塊相比，該模塊采用了分段式柵極溝槽（SDA）結(jié)構(gòu)，并通過可以控制載流子的等離子體層（CPL）結(jié)構(gòu)減少芯片厚度，從而顯著的降低了功率損耗。特別是，在開通dv/dt與傳統(tǒng)模塊相同的情況下，SDA結(jié)構(gòu)可將Eon降低約60%，通過大幅降低功率損耗，模塊可以提高功率密度。通過采用這些技術(shù)并擴(kuò)大芯片面積，第8代1200V IGBT功率模塊在相同的三菱電機(jī)LV100封裝中實(shí)現(xiàn)了1800A的額定電流，是傳統(tǒng)1200V IGBT功率模塊的1.5倍。
1.引言
近年來，作為應(yīng)對(duì)全球變暖的對(duì)策，光伏和儲(chǔ)能等可再生能源市場(chǎng)正在穩(wěn)步增長(zhǎng)，在這些市場(chǎng)中，作為功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)核心的功率半導(dǎo)體器件的需求正在大幅增長(zhǎng)。特別是1200V級(jí)別的IGBT功率模塊被廣泛集成到系統(tǒng)中，需要輸出功率更高的IGBT模塊來提高系統(tǒng)性能并降低系統(tǒng)成本。工程師們正在有限的空間內(nèi)設(shè)計(jì)具有高功率能力的系統(tǒng)，因此，要求 IGBT 模塊在保持傳統(tǒng)封裝尺寸的同時(shí)提高輸出功率。有兩種方法可以提高輸出功率，第一種是提高輸出電壓，第二種是增加輸出電流。選擇提高輸出電壓需要用戶進(jìn)行大量的重新設(shè)計(jì)，因?yàn)镮GBT模塊周圍的許多器件也需要提高其額定電壓。另一方面，與提高電壓相比，選擇增加電流的方法在提高輸出功率的同時(shí)，用戶的設(shè)計(jì)更改較少。提高IGBT模塊的功率密度對(duì)于提高傳統(tǒng)1200V級(jí)IGBT功率模塊的輸出電流具有重要意義，而“降低損耗”和“增加散熱”是提高功率密度較為可取的方法。
圖1顯示了采用額定1200A/1200V LV100封裝的第7代IGBT產(chǎn)品，在A-NPC三電平拓?fù)錀l件下計(jì)算得到的穩(wěn)態(tài)和開關(guān)損耗的歸一化比率。可以注意到，IGBT和二極管的穩(wěn)態(tài)功率損耗在外管、內(nèi)管、中性點(diǎn)鉗位管的總損耗中都占有較高比率。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，外管的開通損耗較大，因此，降低IGBT穩(wěn)態(tài)損耗、開通損耗以及二極管穩(wěn)態(tài)損耗對(duì)于降低總功率損耗非常有效。第8代芯片為降低上述功率損耗進(jìn)行了優(yōu)化，此外，擴(kuò)大芯片面積是增加散熱的一種可行方法，第8代芯片通過擴(kuò)大芯片面積，改善了穩(wěn)態(tài)特性和散熱能力。
LV100封裝是一種工業(yè)級(jí)封裝，采用疊層電極結(jié)構(gòu)[2]，具有較低的Ls（封裝內(nèi)部寄生電感）。此外，LV100可以為內(nèi)部芯片提供出色的電流平衡，并且可以并聯(lián)使用，因此近年來已被用于多種用途。

2.第8代芯片技術(shù)
第8代芯片主要采用分段式柵極溝槽（SDA）結(jié)構(gòu)和控制載流子等離子體層（CPL）結(jié)構(gòu)，本節(jié)將對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行說明。
IGBT模塊的高速開關(guān)操作可以降低開通損耗，然而，高速開關(guān)操作會(huì)帶來較高的開通dv/dt。眾所周知，它是一種電磁干擾（EMI）輻射噪聲源，會(huì)對(duì)用戶的電動(dòng)機(jī)絕緣產(chǎn)生應(yīng)力，所以應(yīng)通過增加?xùn)艠O電阻（RG）來將開通dv/dt限制在一定值以下，然而較大的RG會(huì)降低IGBT模塊的開關(guān)速度，并導(dǎo)致較高的開通損耗。因此，有必要在不增加RG的情況下降低開通dv/dt。圖3和圖4顯示了第7代和第8代載流子存儲(chǔ)式溝槽柵雙極晶體管（CSTBTTM）的截面示意圖[3]，在第7代CSTBTTM中，與柵極相連的有效溝槽和與發(fā)射極相連的無效溝槽交替放置。而在第8代CSTBTTM中，無效溝槽被SDA溝槽取代，在這一配置中，溝槽內(nèi)部的電極分為兩段，SDA溝槽的上電極連接到發(fā)射極，而下電極連接到柵極。此外，CPL被應(yīng)用于第8代CSTBTTM的背面緩沖層。圖5-(a)和(b)顯示了第7代和SDA結(jié)構(gòu)的芯片特性，顯示了發(fā)射極電流（IE）與開通dv/dt的關(guān)系，圖5-(a)中的橫軸表示額定IE低于100%的區(qū)域，圖5-(b)中的橫軸表示額定IE低于2%的區(qū)域。SDA結(jié)構(gòu)在不增加?xùn)艠O-發(fā)射極電容（CGE）的情況下增加了柵極-集電極電容（CGC），如圖5-(a)和(b)所示，增加CGC可以降低小電流下的開通dv/dt，而不會(huì)影響大電流下的開通dv/dt[4]。SDA結(jié)構(gòu)的這一效應(yīng)很重要，因?yàn)樵谛‰娏飨麻_通dv/dt通常是最高的。

穩(wěn)態(tài)和開關(guān)損耗通?？梢酝ㄟ^減小芯片厚度來降低，優(yōu)化芯片厚度時(shí)應(yīng)考慮擊穿電壓。在有高di/dt的關(guān)斷操作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生關(guān)斷浪涌電壓，如果這個(gè)關(guān)斷浪涌電壓超過IGBT的擊穿電壓，IGBT模塊將會(huì)損壞。因此，為了減小IGBT厚度并實(shí)現(xiàn)高di/dt下的關(guān)斷操作，抑制關(guān)斷浪涌電壓非常重要。
第8代IGBT調(diào)整了背面緩沖層的設(shè)計(jì)[5]，CPL結(jié)構(gòu)提供了關(guān)斷時(shí)的柔和度。帶CPL和不帶CPL的IGBT關(guān)斷波形如圖6所示，不帶CPL的IGBT顯示出高而尖的關(guān)斷浪涌電壓，浪涌電壓峰值超過了1200V的額定電壓。反觀，帶CPL的IGBT可抑制關(guān)斷浪涌電壓和振蕩，浪涌電壓峰值保持在1200V的額定阻斷電壓以下，它們?cè)谙嗤瑮l件下進(jìn)行比較，因?yàn)槔擞侩妷汉驼袷幍陌l(fā)生程度通常受到外部電感（Ls）和運(yùn)行條件等因素的影響。這兩種芯片都與第8代IGBT的厚度相同，僅通過改變背面緩沖層的設(shè)計(jì)來進(jìn)行比較。因此，帶有CPL的第8代IGBT能夠在較高di/dt條件下關(guān)斷運(yùn)行，并減小了芯片厚度，所以第8代IGBT可以降低功率損耗。

第8代芯片采用了SDA柵極結(jié)構(gòu)和CPL結(jié)構(gòu)等技術(shù)來提高功率密度。
3.第8代IGBT模塊的評(píng)估結(jié)果
本節(jié)對(duì)LV100封裝中配備第2節(jié)所述第8代芯片的第8代額定1800A/1200V的IGBT模塊和配備第7代芯片的傳統(tǒng)模塊CM1200DW-24T（1200A/1200V額定）進(jìn)行了評(píng)估。
圖7展示了芯片面積和結(jié)殼熱阻（Rth(j-c)）的歸一化比較，第8代1200V等級(jí)芯片組的芯片面積針對(duì)LV100封裝中的芯片安裝區(qū)域進(jìn)行了優(yōu)化。第8代IGBT采用的芯片面積比第7代IGBT面積大39%，從而降低了Rth(j-c)，擴(kuò)大IGBT面積還可以降低IGBT的穩(wěn)態(tài)損耗。
第8代二極管優(yōu)化了芯片厚度，調(diào)整了損耗折衷曲線，以發(fā)揮第8代IGBT的性能。此外，該二極管通過采用比第7代二極管面積大18%的芯片面積來減少Rth(j-c），擴(kuò)大的二極管面積還可以降低二極管的穩(wěn)態(tài)損耗，而且，第8代IGBT模塊通過優(yōu)化封裝內(nèi)部的設(shè)計(jì)，擴(kuò)大了芯片安裝的可用面積。

圖8-(a)和(b)顯示了在上述條件下評(píng)估開通dv/dt與IE的關(guān)系，圖8-(a)中的橫軸表示額定IE低于100%的區(qū)域，圖8-(b)中的橫軸表示額定IE低于2%的區(qū)域。與芯片特性類似，第8代模塊和傳統(tǒng)模塊在小電流下的開通dv/dt都高于大電流下的開通dv/dt，特別是在額定IE低于0.5%的區(qū)域，傳統(tǒng)模塊的開通dv/dt明顯更高。相比之下，第8代模塊在低于額定IE的所有區(qū)域的開通dv/dt都比傳統(tǒng)模塊低，尤其是通過應(yīng)用SDA結(jié)構(gòu)，第8代模塊在低于額定IE 0.5%的小電流下的開通dv/dt得到了有效降低，并且通過擴(kuò)大芯片面積和折衷曲線，也降低了大電流區(qū)域的開通dv/dt。
圖9顯示了第8代模塊和傳統(tǒng)模塊在最大開通dv/dt時(shí)的發(fā)射極-集電極電壓（VEC）波形（如圖8-(b)所示，傳統(tǒng)模塊的條件為IE=0%，第8代模塊的條件為IE=0.1%），這些波形也證實(shí)了第8代模塊的dv/dt低于傳統(tǒng)模塊的dv/dt。

圖10顯示了開通dv/dt與IE的關(guān)系，第8代的開通dv/dt匹配為20kV/μs，這是傳統(tǒng)模塊的最大值。第8代模塊調(diào)整了RG去匹配傳統(tǒng)模塊的開通dv/dt，由于第8代模塊具有較低的開通dv/dt，所以可以使用比傳統(tǒng)模塊更小的RG。減小的RG為第8代模塊提供了高速開關(guān)操作的可行性，并且可以降低每個(gè)脈沖的開通開關(guān)能量（Eon）。

圖11顯示了第8代模塊和傳統(tǒng)IGBT模塊的Eon與開通dv/dt之間的關(guān)系，與傳統(tǒng)模塊相比，第8代模塊在開通dv/dt=20kV/μs條件下Eon降低了約60%。

4.第8代IGBT模塊的電氣參數(shù)和輸出功率
圖12顯示了傳統(tǒng)CM1200DW-24T（額定值1200A/1200V）和第8代額定值1800A/1200V的LV100封裝IGBT功率模塊的電氣參數(shù)，傳統(tǒng)模塊使用可用的最小RG值，此時(shí)的開通dv/dt為20kV/μs。第8代模塊的RG已調(diào)整為與傳統(tǒng)模塊的開通dv/dt相匹配，兩者的損耗比較結(jié)果如下所述。
(a). VCEsat
通過擴(kuò)大芯片面積和減小芯片厚度可降低VCEsat。
(b). VEC
通過擴(kuò)大芯片面積、優(yōu)化芯片厚度和折衷曲線，可降低VEC。
(c). Eon
通過采用SDA結(jié)構(gòu)和減小芯片厚度，可減少Eon。
(d). Eoff
擴(kuò)大芯片面積會(huì)增加Eoff，而減小芯片厚度則可降低Eoff，因此，Eoff調(diào)整為與傳統(tǒng)模塊相似的損耗曲線。
(e). Err
擴(kuò)大芯片面積和折衷曲線，Err會(huì)增加。

圖13顯示了IGBT模塊的載波頻率（fC）和輸出電流（IOUT）之間的關(guān)系，橫軸表示載波頻率（fC），縱軸表示輸出電流（IOUT）。這是通過圖12中的電氣參數(shù)計(jì)算得出的。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)模塊相比，第8代IGBT模塊的輸出功率可以提高約25%，通過優(yōu)化冷卻條件和其他因素，還可以進(jìn)一步提高IOUT。

5.結(jié)論
第8代1200V電壓等級(jí)LV100封裝的IGBT功率模塊，具有更高的額定電流，專為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。通過采用SDA柵極結(jié)構(gòu)和CPL結(jié)構(gòu)，第8代IGBT模塊展現(xiàn)出卓越的功率損耗，特別是與具有相同開通dv/dt的傳統(tǒng)模塊相比，IGBT的SDA柵極結(jié)構(gòu)使得EON降低了約60%。此外，擴(kuò)大了第8代芯片的面積，以增強(qiáng)散熱并降低穩(wěn)態(tài)損耗，通過降低損耗，模塊提高了功率密度。因此，第8代1200V IGBT模塊采用與傳統(tǒng)LV100相同的封裝下，實(shí)現(xiàn)了1800A的額定電流，如圖14所示。

6.參考文獻(xiàn)
[1] “7th Generation T-series Industrial LV100-type Application Note”, Mitsubishi Electric Power module application note, March 2023, https://www.mitsubishielectric.co.jp/semiconductors/powerdevices/applica... rial_lv100_e.pdf
[2] M. Miyazawa, M. Tabata, H. Muraoka, T. Hieda, T. Radke, “7th Generation IGBT Module for Industrial Apprications” PCIM 2014.
[3] H. Takahashi et al. “Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor (CSTBT) -A Novel Power Device for High Voltage Application-”, ISPSD 1996.
[4] K. Konishi, K. Nishi, K. Sako, A. Furukawa, “Split-Dummy-Active CSTBTTM for Improving Recovery dV/dt and Turn-on Switching Loss Tradeoff” ISPSD 2022.
[5] K. Suzuki, K. Nishi, M. Kaneda, A. Furukawa, “N-buffer design optimization for Short Circuit SOA ruggedness in 1200V class IGBT” ISPSD 2018.
[6] K. Konishi, R. Kamibaba, M. Umeyama, A. Narazaki, T. Takahashi, A. Furukawa and M. Tarutani, “Experimental Demonstration of the Active Trench Layout Tuned 1200V CSTBTTM for Lower dV/dt Surge and Turn-on Switching Loss”, Proc. ISPSD 2016.
[7] S. Machida, T. Sugiyama, M. Ishiko, S. Yasuda, J. Satio and K. Hamada, “Investication of Correlation between Device Structures and Switching Losses of IGBTs”, Proc. ISPSD 2009.
[8] S. Machida, K. Ito, and Y. Yamashita, “Approaching the Limit of Switching Loss Reduction in Si-IGBTs”, Proc. ISPSD 2014.
關(guān)于三菱電機(jī)
三菱電機(jī)創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。截止2024年3月31日的財(cái)年，集團(tuán)營(yíng)收52579億日元（約合美元348億）。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè)，三菱電機(jī)擁有多項(xiàng)專利技術(shù)，并憑借強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化、電子元器件、家電等市場(chǎng)占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場(chǎng)，三菱電機(jī)從事開發(fā)和生產(chǎn)半導(dǎo)體已有68年。其半導(dǎo)體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動(dòng)汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

發(fā)言人：Daichi Otori, Otori.Daichi@ap.MitsubishiElectric.co.jp
通訊作者：Daichi Otori, Otori.Daichi@ap.MitsubishiElectric.co.jp

(作者:Daichi Otori1, Masaomi Miyazawa1, Stumpf Eugen2, Koichi Masuda2)