新IGBT技术提高应用性能

在日益增长的变频器市场，许多厂商提供性能和尺寸各异的变换器类型。这正是以低损耗和高开关频率而著称的新IGBT技术施展的舞台。在62毫米（当前模块的标准尺寸）模块中使用新IGBT技术使用户可以因不必改变其机械设计概念而获益。

基于平台技术的标准62毫米SEMITRANS 模块，由于针对IGBT和二极管采用了不同的半导体技术，因此适合于多种应用场合。采用标准尺寸模块外壳这一事实意味着用户有更多可供选择的供应商。新1200V系列模块为我们展示了外壳和半导体之间的匹配是多么的完美，该系列产品基于英飞凌的IGBT4技术和赛米控稳健可靠的新CAL4二极管。

1. 半导体开关中的IGBT和二极管

在电力电子里半导体器件IGBT和二极管仅作为开关。

“理想的开关”必须满足以下条件：

• 通态压降Vd = 0，与当前导通电流无关
• 反向电流Ir = 0，直到最大允许反向电压
• 开关损耗Psw = 0，与当前被切换的电流和直流母线电压无关
• 热阻Rth无足轻重，因为没有损耗产生

然而，在实际的开关中，存在大量的正向和开关损耗。因而设计中的热阻对模块性能来说是至关重要的。本文讨论IGBT2、IGBT3以及SEMITRANS 模块采用的新IGBT4 半导体技术之间的区别，并展示在某些情况下新IGBT4技术所带来的性能提升。

2. 芯片技术的进展

图1显示了基于英飞凌沟槽栅场截止（FS）IGBT4技术和赛米控CAL4续流二极管的新一代芯片的基本结构。



图1：场漕栅场截止技术（FS） IGBT4和 CAL4 FWD的结构

IGBT4基本上是基于已知的IGBT3沟槽栅结构并结合经优化的包含n—衬底、n-场截止层和后端发射极的纵向结构。与第三代IGBT相比，这将使总损耗更低，开关行为更为轻柔，同时芯片的面积也更小。此外，p/n结的最高结温Tjmax从150°C升高至175°C。这将在静态和动态过载情况下建立一个新的安全裕度。IGBT4系列产品的特点是有一个为高、中、低功率应用而优化的纵向结构；开关性能和损耗适用于给定的功率等级。这里所展示的结果集中在中等功率范围（50A-600A）的应用，采用的是低电感模块，开关速率在4-12kHz之间（这相当于IGBT4L）。

当在更高电流密度情况下使用新一代IGBT，具有高电流密度的续流二极管也是需要的，尤其是对那些具有最大芯片封装密度的模块。基于这个原因，在现有CAL（可控轴向长寿命）二极管技术的基础上开发了新的CAL4续流二极管，其特点在于对任何电流密度的软开关性能，耐用度（高di/dt）以及低反向恢复峰值电流和关断损耗。CAL4 FWD的基本结构只是背面带有n/n+结构的薄n---衬底（图1b）。为了减少产生的损耗，n缓冲层被优化，采用较薄n+晶圆，活动表面积增大（即小边结构），纵向载流子寿命被优化。因此，新的，经过改进的CAL4二极管是很出色，除了电流密度提高了30%，其正向电压更低及切换损耗也与上一代相类似（CAL3，Tjop =常数)。为增加p/n结的最高结温至175°C，使用了新的边缘端钝化. 受益于上述的优化工作，CAL4 FWD是第四代IGBT应用的完美匹配。

新一代芯片扩大了的温度范围-175°C（Tjmax）在适当的可靠性试验中进行了验证（例如：栅应力，高温反偏（HTRB），高湿高温反偏（THB）测试。

表1显示了英飞凌的3个主要IGBT技术系列的最重要的专用参数，正如1200V SEMITRANS 模块所使用的。



为使数据具有可比性，表2中所有的开关损耗（Esw）均为结温Tj=125°C时的数据。而IGBT4模块的数据手册中的值为Tj=150°C时的数据。VCEsat值给定的是芯片级的，相应的端子级会更高，因为端子上有压降。

3. 模块外壳的要求

表2显示了SEMITRANS 模块外壳的主要参数和这些参数对最终产品性能所产生的影响的详细信息。
表2：模块外壳属性及所产生的影响



3.1 端子电阻

模块的端子电阻影响电路的工作效率。在图2所示的例子中，导通损耗比SEMITRANS 高11%。这相当于一个每相绝对值约90W，三相共270W的功率变频器。


图2：高端子电阻的影响

3.2 热阻

这一参数影响最大允许功率损耗，从而也影响模块中IGBT和二极管的最大允许的集电极电流。下列因素对决定热阻的大小至关重要：

• 芯片尺寸（面积）
• 模块设计（焊接、陶瓷基板（DCB）、基板）
• 系统设计（导热硅脂，散热器）

不考虑半导体的成本，其通常会占到模块总成本的50%以上，外壳的选择会对模块的额定电流产生巨大的影响。文献 描述了确定热阻的过程。

3.3 绝缘强度

用于焊接半导体芯片的陶瓷基板的厚度和类型，以及软模的特性在很大程度上影响SEMITRANS 模块的绝缘强度。

3.4 开关电感 LCE 及其实际效果

电感LCE对IGBT关断时产生的过电压来说是一个重要的参数，如以下公式所示：

在实际中, 高电感与关断期间所产生的高过电压一样，都是不利的。高电感意味着器件的最大反向电压会很快达到。尤其在高直流母线电压的情况下，更是如此。这些情况是可能发生的，例如，通过甩负荷或在功率回馈模式下。当使用低电感模块时，可以实现高可靠性和最高效率。图3显示SEMITRANS 3和与其作对比的不同形状封装“C”之间的差异。由于模块的电感小，SEMITRANS 3 在芯片的最大反向电压达到之前可切换的电流值要高30%。受益于主端子加上用于DCB的对称并联设计，SEMITRANS 模块可实现低电感（请注意，依托模块电感，半导体芯片上实际产生的电压永远高于端子上产生电压）。



图3：模块电感对最大关断电流的影响

3.5 并联时芯片的对称电流分布

SEMITRANS 模块中，并联了多达8个芯片（IGBT和二极管）（见表2）。二极管并联尤其具有挑战性，因为Vf的负温度系数会降低额定电流. 为此，SEMIKRON开发了定制解决方案，满足高功率应用（为静态和动态功率分配进行了优化）及高直流环母线电压应用（在关断时动态过电压限制)。进一步信息可在文献 中找到。

3.6 多模块的并联

对于几个模块并联的情况，功率降额必须尽可能低。此时，IGBT参数VCEsat的正温度系数具有正面的影响. 对于二极管的情况，可以采取3.5中描述那些步骤。正如文献 中所定义的，SEMITRANS 模块中降额系数介于90%和95%之间。

4. 展望未来

得益于采用了第四代沟槽栅IGBT和CAL二极管的新1200V模块，SEMITRANS IGBT模块将能够续写其成功故事。

与同功率等级的其它模块相比，新系列模块所带来的性能提升不仅取决于采用了新一代的芯片 而且还取决于低的端电阻和相对较低的杂散电感。SEMIKRON的SEMITRANS系列就是一个明显的例子，通过完善模块技术参数，一代又一代的半导体芯片能够持续享受成功。