新IGBT技術(shù)提高應(yīng)用性能

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毫米（當前模塊的標準尺寸）模塊中使用新IGBT技術(shù)使用戶可以因不必改變其機械設(shè)計概念而獲益。

　　基于平臺技術(shù)的標準62毫米SEMITRANS?模塊，由于針對IGBT和二極管采用了不同的半導體技術(shù)，因此適合于多種應(yīng)用場合。采用標準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1200V系列模塊為我們展示了外殼和半導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. 半導體開關(guān)中的IGBT和二極管

　　在電力電子里半導體器件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，與當前導通電流無關(guān)
• 　　反向電流Ir = 0，直到最大允許反向電壓
• 　　開關(guān)損耗Psw = 0，與當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，存在大量的正向和開關(guān)損耗。因而設(shè)計中的熱阻對模塊性能來說是至關(guān)重要的。本文討論IGBT2、IGBT3以及SEMITRANS?模塊采用的新IGBT4 半導體技術(shù)之間的區(qū)別，并展示在某些情況下新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)。

圖1：場漕柵場截止技術(shù)（FS） IGBT4和 CAL4 FWD的結(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，p/n結(jié)的最高結(jié)溫Tjmax從150°C升高至175°C。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（50A-600A）的應(yīng)用，采用的是低電感模塊，開關(guān)速率在4-12kHz之間（這相當于IGBT4L）。

　　當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）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（圖1b）。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，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CAL4二極管是很出色，除了電流密度提高了30%，其正向電壓更低及切換損耗也與上一代相類似（CAL3，Tjop =常數(shù))。為增加p/n結(jié)的最高結(jié)溫至175°C，使用了新的邊緣端鈍化. 受益于上述的優(yōu)化工作，CAL4 FWD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°C（Tjmax）在適當?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。

　　表1顯示了英飛凌的3個主要IGBT技術(shù)系列的最重要的專用參數(shù)，正如1200V SEMITRANS?模塊所使用的。

　　為使數(shù)據(jù)具有可比性，表2中所有的開關(guān)損耗（Esw）均為結(jié)溫Tj=125°C時的數(shù)據(jù)。而IGBT4模塊的數(shù)據(jù)手冊中的值為Tj=150°C時的數(shù)據(jù)。VCEsat值給定的是芯片級的，相應(yīng)的端子級會更高，因為端子上有壓降。

　　3. 模塊外殼的要求

　　表2顯示了SEMITRANS?模塊外殼的主要參數(shù)和這些參數(shù)對最終產(chǎn)品性能所產(chǎn)生的影響的詳細信息。

表2：模塊外殼屬性及所產(chǎn)生的影響

　　3.1 端子電阻

　　模塊的端子電阻影響電路的工作效率。在圖2所示的例子中，導通損耗比SEMITRANS?高11%。這相當于一個每相絕對值約90W，三相共270W的功率變頻器。

圖2：高端子電阻的影響

　　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（導熱硅脂，散熱器）

　　不考慮半導體的成本，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

　　用于焊接半導體芯片的陶瓷基板的厚度和類型，以及軟模的特性在很大程度上影響SEMITRANS?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)，如以下公式所示：

　　在實際中, 高電感與關(guān)斷期間所產(chǎn)生的高過電壓一樣，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，更是如此。這些情況是可能發(fā)生的，例如，通過甩負荷或在功率回饋模式下。當使用低電感模塊時，可以實現(xiàn)高可靠性和最高效率。圖3顯示SEMITRANS? 3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，SEMITRANS? 3 在芯片的最大反向電壓達到之前可切換的電流值要高30%。受益于主端子加上用于DCB的對稱并聯(lián)設(shè)計，SEMITRANS? 模塊可實現(xiàn)低電感（請注意，依托模塊電感，半導體芯片上實際產(chǎn)生的電壓永遠高于端子上產(chǎn)生電壓）。

圖3：模塊電感對最大關(guān)斷電流的影響

　　3.5 并聯(lián)時芯片的對稱電流分布

　　SEMITRANS?模塊中，并聯(lián)了多達8個芯片（IGBT和二極管）（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中描述那些步驟。正如文獻[1] 中所定義的，SEMITRANS? 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1200V模塊，SEMITRANS? IGBT模塊將能夠續(xù)寫其成功故事。

　　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。SEMIKRON的SEMITRANS系列就是一個明顯的例子，通過完善模塊技術(shù)參數(shù)，一代又一代的半導體芯片能夠持續(xù)享受成功。