應(yīng)用于工業(yè)牽引的軟穿通IGBT技術(shù)的大功率模塊

1　引言

　　隨著軟穿通igbt技術(shù)的引入，產(chǎn)生了igbt設(shè)計(jì)上和特性上的新標(biāo)準(zhǔn)，特別適用于中等功率的市場(chǎng)。將傳統(tǒng)的npt（非穿通型）igbt的高強(qiáng)度和低損耗兩個(gè)特點(diǎn)相結(jié)合，已經(jīng)使spt-igbt成為1200v-1700v電壓范圍的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。為了充分利用spt-igbt這一技術(shù)特性，1200v-1700vlopak模塊的范圍擴(kuò)展至額定電流75a-300a。

　　現(xiàn)在，因?yàn)轭~定電流為2400a的新一代大功率工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模塊的封裝尺寸增加了140×130（e1），140×190（e2），1700v-sptigbt的封裝類型得到了擴(kuò)展，圖1為新型號(hào)1700v-spt igbt的e2標(biāo)準(zhǔn)封裝?；诟呖煽啃詰?yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了適用于工業(yè)牽引應(yīng)用的新的封裝類型。

　　與已經(jīng)應(yīng)用的1700v標(biāo)準(zhǔn)模塊相比，主要損耗減少了大約20%。除了極低的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗外，1700v-sptigbt表現(xiàn)為明顯的正溫度系數(shù)。這一特點(diǎn)適用于并聯(lián)工作狀態(tài)，尤其適合如e1/e2類型這樣的大電流模塊。盡管sptigbt的損耗較低，但它的短路電流和開(kāi)關(guān)強(qiáng)度均較大，而且，獨(dú)特的軟穿通結(jié)構(gòu)的電磁干擾很小。spt技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，新的軟快速恢復(fù)二極管也被開(kāi)發(fā)用于輔助spt的特性。新的二極管在任意條件工作時(shí)，表現(xiàn)出軟恢復(fù)和極耐用的的特性。因?yàn)椴⒙?lián)使用，二極管也要求正的溫度系數(shù)。

2　1700v的芯片組技術(shù)

　　如圖2所示，文獻(xiàn)［1，2］中證明，標(biāo)準(zhǔn)的平面工藝與軟穿通概念的結(jié)合可得到性能更好的igbt，它比npt結(jié)構(gòu)的損耗更低，約小20%。spt技術(shù)的通態(tài)損耗與使用溝道工藝的相同額定電流元件的通態(tài)損耗相似。因?yàn)楣に嚰夹g(shù)很成熟，為使單位面積上的成本更低，選用了平面設(shè)計(jì)。與平面單元的概念相結(jié)合，可以使得熱阻更小，耐用性更強(qiáng)。

　　spt的含義是在igbt的陽(yáng)極一邊有一個(gè)低摻雜的緩沖層。在額定直流電壓下，空間電荷區(qū)并沒(méi)有延伸到這一緩沖區(qū)。然而，在更高的電壓下，spt緩沖區(qū)使電流在關(guān)斷時(shí)更平滑。因此，盡管基區(qū)減薄了30%，spt-igbt的動(dòng)態(tài)電特性仍與基區(qū)更厚的npt-igbt相仿。這種方法當(dāng)芯片在大電流模塊如e1和e2類型時(shí)更重要，因?yàn)檫@時(shí)電壓過(guò)沖的峰值在igbt關(guān)斷時(shí)可以達(dá)到其臨界值，將引起大的震蕩，提高電磁干擾等級(jí)。另外，相對(duì)于改變門(mén)極電阻，優(yōu)化了spt-igbt的輸入電容，可更好的控制開(kāi)通di/dt。igbt可以得到一個(gè)更快的電壓延遲，進(jìn)一步減少了igbt的開(kāi)通損耗。

　　另外，1700v快速和軟恢復(fù)二極管的發(fā)展也增加了1700vspt-igbt的優(yōu)勢(shì)。二極管采用了最新的設(shè)計(jì)技術(shù)和控制壽命的方法，其動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的損耗更小，且具有軟恢復(fù)特性和更小的電磁干擾。而且，igbt和二極管在開(kāi)通時(shí)均為正溫度系數(shù)，保證在大電流模塊工作時(shí)，并聯(lián)的硅芯片的電流實(shí)現(xiàn)均衡。

　　隨著1700vspt-igbt的引入，使用一簡(jiǎn)易的測(cè)試裝置，對(duì)1700v的芯片組進(jìn)行了可靠性測(cè)試，測(cè)試與封裝形式無(wú)關(guān)，因此可代表許多類型的模塊。通過(guò)測(cè)試裝置，從芯片的觀點(diǎn)看，成功地完成了三種相關(guān)的可靠性測(cè)試（htrb、htgb和thb）高溫反向偏壓和溫度濕度測(cè)試。并且，為了減少igbt和二極管由于宇宙射線引起的失效率，優(yōu)化了元件的設(shè)計(jì)。測(cè)試表明，在25℃，900v直流回路電壓條件下，每個(gè)芯片可接受的失效率為1%。

3　1700v-spt igbte1 e2模塊產(chǎn)品

　　1700ve1/e2模塊產(chǎn)品類型完全利用了1700vspt-igbt和二極管芯片組的特性。在不同的電流值下，可以提供一定范圍的標(biāo)準(zhǔn)配置。1700vspt-igbte1/e2模塊使得單個(gè)開(kāi)關(guān)igbt拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的額定電流從1200a提升到2400a。

　　最新開(kāi)發(fā)的模塊使用最新的alsic作基板和aln作基片，提高了功率循環(huán)負(fù)荷能力，與spt igbt芯片相結(jié)合，可降低總熱阻。

　　為了提高電特性，降低電磁干擾，我們進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，優(yōu)化了硅芯片和襯底的內(nèi)部連線和布局，使得發(fā)生在芯片間的振蕩最小。這種振蕩也會(huì)因模塊的內(nèi)部電流不匹配而產(chǎn)生。

4　1700v/2400ae2模塊的電特性

　　通過(guò)使用igbt和二極管芯片組，我們對(duì)1700v/2400a的spt-igbte2模塊進(jìn)行了測(cè)試，證實(shí)其具有良好的電特性。模塊分別在開(kāi)通、關(guān)斷和短路條件下進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)和安全工作區(qū)（soa）測(cè)試。

　?。?） 靜態(tài)特性

　　圖3顯示了1700v/2400a e2模塊在不同的門(mén)極電壓下的輸出特性。

　　因?yàn)槭褂昧吮』鶇^(qū)結(jié)構(gòu)，而且還優(yōu)化了芯片單元的設(shè)計(jì)，1700vspt-igbt與傳統(tǒng)的npt結(jié)構(gòu)相比，通態(tài)損耗減少了20%。圖4顯示了1700v/2400a spt-igbte2模塊，在芯片時(shí)的通態(tài)特性。圖4（a）中，1700v/2400ae2模塊在額定電流下，25℃時(shí)的通態(tài)電壓為2.3v，125℃時(shí)通態(tài)電壓為2.6v。

　　曲線也表明，在電流較小時(shí)，溫度系數(shù)仍為正值，可防止元件并聯(lián)工作時(shí)，因?yàn)闊岵环€(wěn)定而引起的電流不匹配。二極管在25℃時(shí)，通態(tài)電壓較低，為1.9v，125℃時(shí)為1.95v，其溫度系數(shù)也是正的，與模塊內(nèi)的igbt正好相匹配。

　　為了確保在低溫下，如40℃時(shí)，所需的1700v電壓的spt-igbt和二極管，有足夠的電壓余量，其阻斷電壓均應(yīng)選為1850v。

　?。?） 開(kāi)關(guān)特性

　　（a）　spt-igbt

　?。╞）　二極管在 25℃和125℃條件下

　　圖5和圖6分別為1700v/2400a的e2模塊在關(guān)斷和開(kāi)通時(shí)的開(kāi)關(guān)特性。實(shí)驗(yàn)的條件是：在額定電流下，直流母線電壓為900v。我們看到，在1700v

　　spt-igbt的開(kāi)關(guān)瞬間的關(guān)斷電流很平滑。由于基區(qū)減薄，又有spt緩沖層，尾電流的曲線很短。因此在125℃和額定條件下，eoff關(guān)斷損耗只有大約1焦耳。這一損耗值與相同條件的npt-igbt相比少了20%。另外，拖尾電流很短，使得開(kāi)關(guān)速率提高，同時(shí)也降低了電壓過(guò)沖和電磁干擾。圖b為開(kāi)通時(shí)的開(kāi)關(guān)波形。因?yàn)槭褂昧藘?yōu)化設(shè)計(jì)的二極管，igbt的開(kāi)通損耗也大大地降低，反向恢復(fù)二極管的波形曲線如圖7所示。

　　（3） 安全工作區(qū)（soa）的特性

　　1700v/2400ae2模塊有很好的耐用性，在igbt關(guān)斷（rbsoa）和短路條件時(shí)（scsoa），有一很寬的安全工作區(qū)。圖8為1700v/2400ae2模塊在關(guān)斷rbsoa時(shí)的開(kāi)關(guān)特性。元件上加了2倍的額定電流4800a，溫度125℃，直流電壓1300v。在大功率模塊，例如e1、e2中，大量的igbt芯片并聯(lián)使用。電流上升率di/dt也因并聯(lián)的igbt個(gè)數(shù)而成倍的增加。如此大的di/dt值和雜散電感可以引起很高的過(guò)壓。模塊在高的直流電壓和大電流下工作，如果沒(méi)有采取特殊的手段，那么關(guān)斷過(guò)壓有可能超過(guò)igbt額定的電壓。

　　為了額外的過(guò)壓加在igbt上，我們通常在rbsoa測(cè)試中使用有源箝位。圖9為有源箝位的原理圖。使用抑制二極管來(lái)鉗制過(guò)壓。如果igbt的關(guān)斷過(guò)壓超過(guò)了抑制二極管的齊納擊穿電壓，igbt的門(mén)極電壓將被抬升。因此，集電極電流上升的斜率更緩，限制了過(guò)壓。當(dāng)igbt開(kāi)通時(shí)，為避免門(mén)極電流流入集電極，我們使用了肖特基二極管。另外，我們推薦使用一個(gè)電阻來(lái)減少抑制二極管的電流。為保護(hù)igbt的門(mén)極不受過(guò)壓的影響，采用了一雙向抑制二極管。在rbsoa試驗(yàn)裝置中，我們使用1450v水平的箝位電壓來(lái)抑制二極管。因?yàn)閯?dòng)態(tài)效應(yīng)，關(guān)斷過(guò)壓通常要比抑制二極管的齊納電壓高很多。為了使有源箝位的反應(yīng)速度更快，還可以將一附加的電容并聯(lián)在抑制二極管上。這一電容也可以抑制igbt開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)的dv/dt。不過(guò)，在試驗(yàn)電路中，我們沒(méi)有選用電容。

　　圖10和11顯示了溫度分別為25℃和125℃時(shí)，1700v/2400ae2模塊的二極管反向恢復(fù)特性曲線。電流為2倍額定電流4800a，直流電壓為1300v。1700v二極管的動(dòng)態(tài)特性確保了它在各種條件下，尤其是在低溫和小電流時(shí)，具有軟恢復(fù)、高耐用性和高可靠性的特點(diǎn)。

　　在不同的集電極電流ic下，spt-igbt的關(guān)斷和開(kāi)通損耗、二極管開(kāi)通時(shí)的反向恢復(fù)電荷、電流和能耗曲線如圖12和圖13所示。

　　圖14顯示了在25℃和125℃時(shí)，1700v/2400a spt-igbte2模塊在短路時(shí)軟關(guān)斷情況下的波形，直流電壓為1300v，短路時(shí)間為10μs。電流波形圖顯示，對(duì)于2400v模塊，在25℃時(shí)，最大的短路電流為13×103a;在125℃時(shí)，最大的短路電流為11.5×103 a。

5　結(jié)論

　　本文討論了利用spt-igbt和二極管芯片組構(gòu)成的新的1700v spt-igbt e1/e2的模塊產(chǎn)品類型。1700vspt-igbt和二極管芯片技術(shù)提供了高強(qiáng)度、低功耗和具有良好電磁兼容的開(kāi)關(guān)特性。1700v/2400a spt-igbte2模塊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了其具有優(yōu)良的電特性。應(yīng)用spt芯片技術(shù)的abbe1/e2工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模塊，將給用戶提供特性更好、封裝更可靠的元件，用來(lái)滿足牽引等其它工業(yè)應(yīng)用的需要。