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第六代1200V槽栅FS-IGBT模块
作 者:北京工业大学 游雪兰 吴 郁 张彦飞 译

1 引言
近几年来,主要用于电能控制与变换的电力电子学迅速地扩展了它的应用领域。市场对于最新的电能变换系统的要求主要集中在:尺寸小、重量轻以及效率高。因此,就要求功率半导体技术要在获得更高性能、更先进功能以及更大功率处理能力等方面有所进步。
系统缩小尺寸的解决方案之一是使用igbt-pim(功率集成模块),将倒相电路、动态保护电路以及整流二极管都集成在同一个模块中。近几年来,最大额定电流低于100a的pim,由于尺寸小、易装配、更经济等优点,其市场需求不断增长。
下一代igbt模块应当具有更小尺寸和更经济的特征。实现高性能紧凑型igbt模块的关键技术在于,在处理好电与热性能的同时如何减小芯片面积。igbt芯片无疑是模块中最重要的部分,在设计过程中应当给予特别的重视,以体现出最高的价值。因为它们不但是模块中尺寸最大的部件,也是模块中温升最高的部分,所以需要做好散热措施。因此,对于制造高性能紧凑型模块,重要的是同时改进芯片技术和封装工艺,也就是说,igbt应能承受更大的功耗,并且要使用lti(低热阻)封装。
新模块必须具有的另一个特征是低噪声辐射。igbt开关工作时的功耗分为“静态”功 耗和“动态”功耗。静态功耗与通态压降(von)相关,与占空比也有一定的关系,但并不强烈地依赖于驱动条件。然而,包含开通与关断能量在内的动态功耗却与驱动条件显著相关。
本文介绍了利用先进的槽栅场中止硅片技术和lti封装制造的1200v igbt模块,它们是根据pcim-2007所发表的原理[1-2]而最新开发的。

2 igbt开关行为
2.1 性能的挑战
如图1所示,场终止结构可以显著地减小器件厚度,因此,器件性能得以大幅提高。然而,上世纪90年代早期发现的外延型igbt的关断振荡问题再次成为一个潜在的隐患。当器件变薄的同时,耗尽层更容易“穿通”到场中止层,这正是引起关断振荡的机理。因此,振荡的临界电压应当位于安全工作区之外。

图1 历代1200v igbt芯片一览


为了减薄器件的厚度,必须在振荡的临界电压与击穿电压之间权衡并做出突破。临界电压随着硅片电阻率的降低而增长,然而与此同时,击穿电压却降低。

如图2所示的“理想因子”,是理解这个标准的重要工具。“理想因子”是真实器件的击穿电压与具有相同体电阻率和厚度的平面结理论击穿电压值之比。

图2 作为器件厚度的函数,“理想因子”要求fs-igbt没有关断振荡


为了避免关断振荡,厚度为140μmfs-igbt的理想因子需设计到70%,然而,厚度为120μm器件的理想因子至少要设为86%,才能不产生关断振荡。
2.2 简便的dv/dt控制
众所周知,续流二极管(fwd)的软反向恢复特性对于获得较低的开通dv/dt来讲很重要,但是却很少有发表的论文指出igbt开通特性的重要性。
在20世纪普及的平面栅igbt有着简单的栅极结构,因此,很容易根据其物理尺寸推断出它的动态特性。然而,槽栅igbt的栅极结构和版图设计更加多变,为在低von和指定短路耐量之间取得平衡而采用的优化方法也更加复杂。
图3所示为不同槽栅设计、不同栅极电阻下的开通di/dt和dv/dt可控性的例子。其中,导通电流为15a,是额定电流75a的1/5,栅极电阻从 7.7ohm变化到40ohm。fwd与igbt分别被装在专用的测试座上,以便在使用相同fwd的条件下,单独提取出不同igbt设计所带来的影响。

图3 不同沟槽栅设计的igbt,在不同的栅极电阻rg下小电流开通dv/dt的可控性


显而易见的是,开通行为取决于槽栅的设计。可以看到槽栅a对于使用不同的栅极电阻,开关波形变化很小。这意味着这个器件很难通过栅极电阻来控制di/dt和dv/dt。另一方面,槽栅c显示出了突出的可控制性。集电极峰值电流、dic/dt与dvak/dt都可以很简单的通过变化栅极电阻来控制。
对于fwd来说,硬开关特性通常被认为是不好的设计。这显然是十分正确的,因为硬反向恢复fwd很难被应用于新型的igbt模块。然而,即便fwd被设计成具有软恢复特性,我们也应该注意到,对于槽栅igbt,其开通行为是造成硬开关特性的另一个原因。
从以下几个方面对v-igbt做了优化:
(1) 主结构和结终端都具有高的“理想因子”。
(2) 尽可能地减薄器件的厚度,同时避免关断振荡。
(3) 调整短路电流使其有一个稳定的值,甚至在150℃也具有可以保持10μs的能力。
(4) 尽可能减小栅电容以获得快速开关的性能。
(5) 获得稳定的坚固性以及长期的可靠性。

3 实验结果
3.1 静态特性
优化了器件的设计之后,用实验的方法对1200v-75a v-igbt与fwd的芯片组进行了评估。图4所示为在125℃下的j-v特性。为了证实与常规器件结构相比的合理性,y轴用电流密度表示。当集电极电流密度为115a/cm2时,v-igbt的导通压降von=1.7v,常规器件(u4-igbt) von=2.2v,通过优化器件结构以及减薄厚度,导通压降von有0.5v左右的减小。
导通压降von的显著改善说明了,在保持比常规器件的von低的同时,额定电流密度可能提高。

图4 v-igbt的j-v特性


3.2 开关特性
图5证实了v-igbt改善了器件关断振荡的情况。为了创造高峰值电压的“最差的情况”,特意把主电路中的杂散电感增大到300nh,测试结果显示了v-igbt的具有低峰值电压的特性。测试的条件为vdc=900v,ic=150a,vge=+15v/-15v,tj=r.t。从图中很明显可以看出v-igbt具有软关断特性,并且即使在极端条件下也没有关断振荡。

图5 在vdc=900v, ic=150a, lstray=300nh的极端条件下,关断振荡测试结果

图6 在不同的栅极电阻下,v-igbt(上图)与常规igbt(下图)小电流开通特性的比较结果

图7 小电流下的dv/dt(最大值)与大电流下的开通损耗的折衷关系


这三种有着不同通态压降的v-igbt都是在tj=125℃的条件下测定的。图7所示为以vigbt为例的通态压降与关断损耗之间的折衷关系,v-igbt的关断损耗为100μj/a,von= 1.8v,比常规igbt低0.4v。
3.3 对于开关噪声损耗的折衷
图6所示为在不同的栅极电阻下,v-igbt与常规igbt小电流开通特性的实验结果。测试条件为:vce=600v,jc=11.7a/cm2,vge=+15v到-15v,tj=r.t。正如前面所提到的,fwd的dvak/dt与igbt的开通dic/dt相对应。这意味着对于不同的栅极电阻有着极好开通dic/dt灵敏度(此处极好的灵敏度是指对栅极电阻不敏感—译者注)的新型igbt,为消除噪声辐射,对fwd的dvak/dt所进行优化处理更容易控制。

此外,从图中可以明显看出vce波形很大程度上取决于栅极电阻。栅极电阻越大,vce波形的电压拖尾越长。这些vce波形不仅仅是在小电流开通下测得的,它包含了全部的电流变化范围。因此,使用具有较差dic/dt控制能力的igbt,为了减小噪声,会损失更多的eon
图7所示为在小电流(1/10的额定电流)下fwd的dvak/dt(最大值)与在大电流(额定电流)下igbt的eon的折衷关系。在测试过程中使用了不同的栅极电阻。所用的测试方法与图3所使用的方法相同。为了分离出仅由igbt结构差异带来的影响,采用了相同的fwd测试座。

当调整栅极电阻使得小电流下的开通dvak/dt目标值为10kv/μs时,常规igbt在大电流下的开通损耗为220μj/a。另一方面,新型igbt在大电流下的整个变化范围内都具有比较低的dv/dt特性,大电流下的eon只有142μj/a,比常规igbt的eon小36%左右。
在测试的过程中,一开始使用比较小的栅极电阻,之后缓慢增大rg,使dv/dt达到目标值,v-igbt将比其他种类的igbt更快达到目标值。这意味着在实际应用过程中,v-igbt的开关损耗比较小。
3.4 坚固性
槽栅fs-igbt的重要特征之一是其高温短路耐量。图8给出了v-igbt的短路测试结果。在vdc=800v,tj=150℃条件下,给栅极一个10μs长的+15v的栅极短路脉冲。器件可以成功关断,因为在v-igbt的设计过程中对器件进行了优化,使其具有稳定的短路电流。

(a) 10μs长的脉冲

(b)自箝位模式在极端情况下的关断情况

图8 150℃下v-igbt的短路测试结果


图8(b)给出了一个器件在极端条件下仍保持坚固的例子。短路测试中故意用很大的主电感,在150℃条件下,给栅极一个8μs长+15v的脉冲。不采用任何的软关断措施,器件也可以从自箝位模式的临界状态中恢复。这个测试同时证明了v-igbt有更为出色的开关电流自箝位能力。
3.5 总功率和温升
在根据热测量结果寻求最适宜的权衡解决方案的同时,应该注意到新型igbt的额定电流密度是一个极为重要的因素。一般而言,硅芯片的面积越小,其热阻也将越大。因此,随着硅芯片面积的缩小,采用低热阻的封装技术是很必要的。
图9给出了运用在电动机典型的超速传动状态下,估计产生的功耗及△tj。栅极电阻是通过实验的方法选择的,这样这些芯片组就具有小电流开通条件下相似的fwd dv/dt值。从图9中可以明显看出,v系列的总功耗为63w,与u4系列的64w类似。图9还给出了估计的温升值。v系列igbt的△tj-c为16.1℃,与上一代模块的温升类似。

图9 调节rg以获得相似的噪声峰值,估算产生的总功耗及△tj



4 产品系列
与s系列和u4系列相比,v系列pim的igbt单元面积更小。其直接结果是模块的功率容量得到了提高。
图10给出了1200v igbt模块功率范围扩大的发展历史。左图描述的是pim发展趋势。s系列(第四代)尺寸为ep2的峰值电流仅仅是25a,尺寸为ep3的峰值电流为75a。然而,v系列(第六代)的电流能力是它的两倍,ep2达到50a,ep3则达到150a。

图10 1200v igbt模块功率范围扩大的发展历史


二合一模块的功率容量也得到了显著的扩大。厚度为17mm采用ep3封装的二合一模块(122x62mm)具有最高1200v-600a的额定电压和电流,而在常规的u系列中额定电流通常只有450a。

5 结束语
本文介绍了fuji v系列的igbt pim。第六代芯片的结合使实现“低噪声辐射”、“紧凑性”以及“高性能”的igbt pim成为可能。使用与ep3尺寸兼容的封装,pim的功率范围可以被扩大到1200v-150a。新型的fuji pim为电力电子行业提供了更加有效、经济的解决方案。

参考文献
[1] m.otsuki, “the 6th generation 1200v advanced trench fs-igbt chip technologies achieving low noise and improved performance,” in pcim 2007.
[2] y.kobayashi, “the new concept igbt-pim with the 6th generation v-igbt chip technology”, in pcim 2007.

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