具有高温工作能力的1700V SPT+ IGBT和二极管芯片组

1简介

过去几年，功率半导体的发展趋势，主要集中在对给定的应用提高功率密度。但当考虑到工作时的总功耗、安全工作区容限和允许的最大结温时，这种性能指标受到挑战。随着最先进的IGBT正慢慢接近损耗降低的极限，提高最大结温已成为当今功率器件开发的主要动力之一。由于热流跟温差成正比，如果半导体器件允许的结温更高，将为产生的热量提供更好的传导，进而增加给定器件面积的功率密度。

从2005年开始，平面SPT+技术已成功引入到从1.2kV到6.5kV不同的电压等级中^[1][2]。本文将介绍一种改进了的1700VSPT+芯片组。其研发应用于额定值3.6kA/ 1700V HiPak2模块封装，且指定工作结温为T _j=150℃。SPT+技术可使导通损耗减小，加之它具有比25℃更高（可能是125℃，疑误—译者）的温度承受能力，故同当前典型的水冷应用的SPT一代相比，新型的1700V SPT+IGBT模块在频率从250Hz变化到1000Hz时逆变器输出电流增加了20％，如图1所示。

图1逆变器输出电流随开关频率变化：1700V SPT与SPT+HiPak2对比2 1700V SPT+高温芯片组技术

2.1 SPT+高温IGBT技术

同原始的平面IGBT元胞相比，SPT+技术的主要优点是在减小导通损耗的同时，保留了具有相同开关控制能力的SPT（软穿通）纵向设计。上述优点的实现，是通过在IGBT MOS单元的P－well周围引入一个N型增强层来实现的，如图2剖面结构所示。增强层增大了IGBT阴极端的载流子浓度，因此，在没有显著增加关断损耗的同时使导通压降降低。N型增强层的杂质分布形式是仔细优化了的，以避免任何对SPT+IGBT的关断安全工作区及耐压能力的负面影响。1700V SPT+IGBT的最终设计将胜过具有相同面积的以往SPT产品，它的导通损耗更低而关断损耗与SPT相当，可多承受20％的电流。

为确保在T _j=150℃时能可靠工作，引入了一种基于偏置环概念^[3]的新型终端设计。这里环的互连是通过一个半绝缘层来实现的，正如剖面图2所示。同基于结终端扩展概念的以往产品相比较，已证明，这种终端设计在能提供更窄的漏电流分布的同时，不受内部环间距变化和界面态的影响。已获得一个非常好的耐压能力和反向漏电典型值，这将确保器件在1700V、温度高达165℃、R _th=1.2kV时稳定工作。

3.1静态特性

图4给出了T _j=150℃时不同栅压下，1700V SPT+IGBT芯片所测得的通态曲线。标称电流下典型的通态压降（V _CE，on），在T _j=125℃时为2.95V，T _j=150℃时为3.1V。从低电流开始，SPT+IGBT的通态压降（V _CE，on）就表现出强正温度系数。它保证了有同模块中各芯片间电流的良好分配。如图5所示，结温为T _j=150℃时，测得的1700V二极管典型正向电压为2.15V。在标称电流一半处，二极管（导通压降）也表现出了正的温度系数。这是优化局部载流子寿命分布的结果。在标称电流下，工作在室温和125℃时的压降差为250mV，这也确保了芯片并联时的安全。正如图6看到的，高温反向阻断下，与之前的SPT二极管工艺平台相比，二极管的漏电流减小了两倍多。

图4在T _j=150℃时不同的偏压下，1700V SPT+IGBT通态曲线

图5不同温度下 1700V二极管芯片正向特性

[p] 3.2标称条件下的开关特性

为了说明这种新的1700V SPT+芯片组能够应用于高温和大电流情形下，测量了1700V HiPak模块T _j=150℃的开关曲线。图7所示的关断曲线是在标称下测得的，即I _C=3600A、V _CE=900V。在本测试中，模块的关断测试采用R _G，OFF=0.6Ω，L _S=60nH，电压上升率为3000V/us。优化N基区与SPT缓冲层的结合，允许集电极电流缓慢的衰减，保证了关断过程软，没有过高的电压尖峰或振荡。图8给出了相同条件下的开通波形。平面SPT+元胞的输入电容小，允许IGBT电压在开通瞬间迅速下降。由于SPT+二极管的低损耗，典型的开通损耗值为1.25J。

图6V _CE=1700V、T _j=125℃时，二极管漏电流数据

图73600A/1700V标准HiPak IGBT在T _j=150℃时关断曲线。E _off=1.75J

图83600A/1700V标准HiPak IGBT 在T _j=150℃时开通曲线。E _on=1.25J

图93600A/1700V HiPak 标准二极管在T _j=150℃下恢复波形。E _rec=1.21J.

在标称条件下，二极管的反向恢复波形如图9所示。二极管关断时流过的尾电流足够短且平滑，从而避免了任何经过二极管和IGBT的电压振荡。这允许二极管以di /dt =11400A/us变化率转换，大大减小了IGBT的开通损耗。在标称条件下，二极管的恢复损耗为1.21J。

3.3最大额定值

图10 显示了IGBT芯片的非钳位感性关断能力。在本测试中，一个3倍于标称值的450A的电流，在一个大到1.6μH寄生电感、结温T _j=150℃条件下，在直流电压为1300V情况下关断。在关断过程中，可以观测到一个2200V的自钳位过冲电压。该芯片经受住了动态雪崩条件，并以峰值的730kW/cm²功率成功承受自钳位工作模式。

图11 显示了单二极管芯片在结温为T _j=150℃时的反向恢复安全工作区。二极管表现出以峰功率峰水平480kW/cm²通过Soak测试的卓越的坚固性。

图10在T _j=150℃时测得的IGBT芯片非钳位关断能力

图11在T _j=150℃条件下测得的二极管芯片反向恢复SOA

[p] 新型1700V SPT+IGBT的卓越短路能力如图12和图13所示。从图12 可以看到结温T _j=150℃、直流电压为1300V时的短路测试试验。在长达26μs的脉冲时间内，短路电流380A，总耗散能量为12.2J测试后，没有观测到热奔现象。为获得一个高短路SOA能力——甚至在整个-40℃～150℃的温度变化过程中，门极电压超过了15V的标准门极驱动电压，——SPT+ IGBT采用了SPT缓冲层和阳极设计。图13显示了室温条件下，在门极电压V _G=19V时，所测得的典型短路SOA波形。

图14同150℃ SPT+产品相比，新的IGBT（a）和二极管（b）在漏电流的改善

图15T _j=175℃时1700V SPT+ IGBT RBSOA

[p] 正如图14（b）所示，采用新的FSA概念，传统二极管的高反向恢复SOA可以被超越，并且同SPT+质子辐射工艺平台相比漏电流减小3倍。通过在有源区和终端保护环之间引入一个特殊的结延伸区域，可以获得较好的反向恢复坚固性。图17显示了二极管卓越的坚固性——T _j=175℃条件下，通过了峰功率为550kW/cm²的SOA测试。

（b）

图16反向阻断过程中普通二极管（a）和FSA二极管（b）的掺杂浓度及阻断态相关电场分布草图

图17T _j=175℃时1700V FSA二极管反向恢复SOA

5 结论和展望

本文介绍了ABB公司高温工作的新型1700V SPT+ IGBT和二极管芯片组。为工作在较大寄生电感和多重并联条件下工作，对芯片组进行了优化，并且有卓越的静态和开关表现。当新芯片组用在T _j=150℃条件下工作的1700V 3600A HiPak2封装中时，也显示出低的总功耗和软的电流瞬态。

为使结工作温度能够进一步拓展到T _j=175℃，还讨论到了IGBT钝化过程中的进一步优化和新型二极管阳极概念。