搜索
1应用于工业牵引的软穿通IGBT技术的大功率模块M.Rahimo,A.Kopta,R.Schnell,U.Schlapbach,R.Zehringer,S.LinderABBSwitzerlandLtd,Semiconductors,Fabrikstrasse3,CH–5600Lenzburg,Switzerland摘要：随着1700V-SPT(软穿通)IGBTLoPak密集型封装结构模块类型的引入，为了进一步开发利用新的1700V-SPTIGBT和二极管芯片的特性，出现了新的封装类型的模块：即电压1700V，电流额定值为2400A，封装形式为E1和E2工业标准模块。我们在长期高可靠性应用的经验基础上，设计了新的封装类型，其特性适用于牵引市场。在本文中，讨论了1700V-SPTIGBT(E1/E2)模块范围的特性，尤其论述了改进的静态和动态特性。High-PowerModuleswithSoft-Punch-ThroughIGBTTechnologyforTractionApplicationsAbstract:Followingthesuccessfulintroductionofthe1700VSPT-IGBTLoPakmodulerange,andinordertofurtherexploittheperformancebenefitsofthenew1700VSPT-IGBTanddiodechips,thenewrangeof1700V“E1”and“E2”industrystandardmodulesratedupto2400Aispresentedhere.Thenewpackagerangeisdesignedwithcharacteristicssuitedforthetractionmarketbasedonourlongexperienceinhighreliabilityapplications.Inthispaper,theperformanceofthenew1700VSPT-IGBT[E1/E2]modulerangeisdiscussed,withparticularreferencetotheimprovedstaticanddynamicperformance.1引言随着软穿通IGBT技术的引入，产生了IGBT设计上和特性上的新标准，特别适用于中等功率的市场。将传统的NPT(非穿通型)IGBT的高强度和低损耗两个特点相结合，已经使SPT-IGBT成为1200V-1700V电压范围的标准产品。为了充分利用SPT-IGBT这一技术特性，1200V-1700VLoPak模块的范围扩展至额定电流75A-300A。图1：运用1700VSPT-IGBT技术新的E2工业标准封装现在，因为额定电流为2400A的新一代大功率工业标准模块的封装尺寸增加了140×130(E1)，140×190(E2)，1700V-SPTIGBT的封装类型得到了扩展，图1为新型号1700V-SPTIGBT的E2标准封装。基于高可靠性应用的经验，设计出了适用于工业牵引应用的新的封装类型。与已经应用的1700V标准模块相比，主要损耗减少了大约20%。除了极低的静态和动态损耗外，1700V-SPTIGBT表现为明显的正温度系数。这一特点适用于并联工作状态，尤其适合如E1/E2类型这样的大电流模块。尽管SPTIGBT的损耗较低，但它的短路电流和开关强度均较大，而且，独特的软穿通结构的电磁干扰很小。SPT技术发展的同时，新的软快速恢复二极管也被开发用于辅助SPT的特性。新的二极管在任意条件工作时，表现出软恢复和极耐用的的特性。因为并联使用，二极管也要求正的温度系数。21700V的芯片组技术如图2所示，文献[1,2]中证明，标准的平面工艺与软穿通概念的结合可得到性能更好的IGBT，它比NPT结构的损耗更低，约小20%。SPT技术的通态损耗与使用沟道工艺的相同额定电流元件的通态损耗相似。因为工艺技术很成熟，为使单位面积上的成本更低，选用了平面设计。与平面单元的概2念相结合，可以使得热阻更小，耐用性更强。图2：SPT-IGBT与NPT-IGBT结构的掺杂浓度分布和电场分布比较SPT的含义是在IGBT的阳极一边有一个低掺杂的缓冲层。在额定直流电压下，空间电荷区并没有延伸到这一缓冲区。然而，在更高的电压下，SPT缓冲区使电流在关断时更平滑。因此，尽管基区减薄了30%，SPT-IGBT的动态电特性仍与基区更厚的NPT-IGBT相仿。这种方法当芯片在大电流模块如E1和E2类型时更重要，因为这时电压过冲的峰值在IGBT关断时可以达到其临界值，将引起大的震荡，提高电磁干扰等级。另外，相对于改变门极电阻，优化了SPT-IGBT的输入电容，可更好的控制开通di/dt。IGBT可以得到一个更快的电压延迟，进一步减少了IGBT的开通损耗。另外，1700V快速和软恢复二极管的发展也增加了1700VSPT-IGBT的优势。二极管采用了最新的设计技术和控制寿命的方法，其动态、静态的损耗更小，且具有软恢复特性和更小的电磁干扰。而且，IGBT和二极管在开通时均为正温度系数，保证在大电流模块工作时，并联的硅芯片的电流实现均衡。随着1700VSPT-IGBT的引入，使用一简易的测试装置，对1700V的芯片组进行了可靠性测试，测试与封装形式无关，因此可代表许多类型的模块。通过测试装置，从芯片的观点看，成功地完成了三种相关的可靠性测试（HTRB、HTGB和THB）高温反向偏压和温度湿度测试。并且，为了减少IGBT和二极管由于宇宙射线引起的失效率，优化了元件的设计。测试表明，在25℃，900V直流回路电压条件下，每个芯片可接受的失效率为1%。31700V-SPTIGBTE1E2模块产品1700VE1/E2模块产品类型完全利用了1700VSPT-IGBT和二极管芯片组的特性。在不同的电流值下，可以提供一定范围的标准配置。1700VSPT-IGBTE1/E2模块使得单个开关IGBT拓扑结构的额定电流从1200A提升到2400A。最新开发的模块使用最新的Alsic作基板和AlN作基片，提高了功率循环负荷能力，与SPTIGBT芯片相结合，可降低总热阻。为了提高电特性，降低电磁干扰，我们进行了精心设计，优化了硅芯片和衬底的内部连线和布局，使得发生在芯片间的振荡最小。这种振荡也会因模块的内部电流不匹配而产生。41700V/2400AE2模块的电特性通过使用IGBT和二极管芯片组，我们对1700V/2400A的SPT-IGBTE2模块进行了测试，证实其具有良好的电特性。模块分别在开通、关断和短路条件下进行了静态和动态和安全工作区(SOA)测试。a静态特性图3显示了1700V/2400AE2模块在不同的门极电压下的输出特性。因为使用了薄基区结构，而且还优化了芯片单元的设计，1700VSPT-IGBT与传统的NPT结构相比，通态损耗减少了20%。图4显示了1700V/2400ASPT-IGBTE2模块，在芯片时的通态特性。图4(a)中，31700V/2400AE2模块在额定电流下，25℃时的通态电压为2.3V，125℃时通态电压为2.6V。图3：在125°C条件下，1700V/2400AE2模块的输出特性图4：1700V/2400AE2模块的通态特性(a)SPT-IGBT,(b)二极管在25°C和125°C条件下曲线也表明，在电流较小时，温度系数仍为正值，可防止元件并联工作时，因为热不稳定而引起的电流不匹配。二极管在25℃时，通态电压较低，为1.9V，125℃时为1.95V，其温度系数也是正的，与模块内的IGBT正好相匹配。为了确保在低温下，如40℃时，所需的1700V电压的SPT-IGBT和二极管，有足够的电压余量，其阻断电压均应选为1850V。b开关特性图5和图6分别为1700V/2400A的E2模块在关断和开通时的开关特性。实验的条件是：在额定电流下，直流母线电压为900V。我们看到，在1700VSPT-IGBT的开关瞬间的关断电流很平滑。由于基区减薄，又有SPT缓冲层，尾电流的曲线很短。因此在125℃和额定条件下，Eoff关断损耗只有大约1焦耳。这一损耗值与相同条件的NPT-IGBT相比少了20%。另外，拖尾电流很短，使得开关速率提高，同时也降低了电压过冲和电磁干扰。图b为开通时的开关波形。因为使用了优化设计的二极管，IGBT的开通损耗也大大地降低，反向恢复二极管的波形曲线如图7所示。图5：1700V/2400AE2IGBT关断波形(Vcc=900V,Ic=2400A,Vge=15V,RG=0.8Ω,Ls=60nH,Tj=125°C)图6：1700V/2400AE2IGBT开通波形(Vcc=900V,Ic=2400A,Vge=15V,RG=1Ω,Ls=60nH,Tj=125°C)图7：1700V/2400AE2二极管恢复波形(Vcc=900V,Ic=2400A,RG=1Ω,Ls=60nH,Tj=125°C)c安全工作区(SOA)的特性1700V/2400AE2模块有很好的耐用性，在IGBT关断(RBSOA)和短路条件时4(SCSOA)，有一很宽的安全工作区。图8为1700V/2400AE2模块在关断RBSOA时的开关特性。元件上加了2倍的额定电流4800A，温度125℃，直流电压1300V。在大功率模块，例如E1、E2中，大量的IGBT芯片并联使用。电流上升率di/dt也因并联的IGBT个数而成倍的增加。如此大的di/dt值和杂散电感可以引起很高的过压。模块在高的直流电压和大电流下工作，如果没有采取特殊的手段，那么关断过压有可能超过IGBT额定的电压。图8：1700V/2400AE2RBSOA关断期间的(有源箝位)开关特性(Vcc=1300V,Ic=4800A,Vge=15V,RG=0.8Ω,Ls=60nH,Tj=125°C)图9：RBSOA测试的有源箝位为了额外的过压加在IGBT上，我们通常在RBSOA测试中使用有源箝位。图9为有源箝位的原理图。使用抑制二极管来钳制过压。如果IGBT的关断过压超过了抑制二极管的齐纳击穿电压，IGBT的门极电压将被抬升。因此，集电极电流上升的斜率更缓，限制了过压。当IGBT开通时，为避免门极电流流入集电极，我们使用了肖特基二极管。另外，我们推荐使用一个电阻来减少抑制二极管的电流。为保护IGBT的门极不受过压的影响，采用了一双向抑制二极管。在RBSOA试验装置中，我们使用1450V水平的箝位电压来抑制二极管。因为动态效应，关断过压通常要比抑制二极管的齐纳电压高很多。为了使有源箝位的反应速度更快，还可以将一附加的电容并联在抑制二极管上。这一电容也可以抑制IGBT开通和关断时的dv/dt。不过，在试验电路中，我们没有选用电容。图10：1700V/2400AE2二极管RBSOA开关特性(Vcc=1300V,Ic=4800A,RG=1Ω,Ls=60nH,Tj=125°C)图11：1700V/2400AE2二极管RBSOA开关特性(Vcc=1300V,Ic=4800A,RG=1Ω,Ls=60nH,Tj=25°C)图12：1700V/2400AE2IGBT损耗(反向IC)(Vcc=900V,Ls=60nH,Tj=125°C)5图10和11显示了温度分别为25℃和125℃时，1700V/2400AE2模块的二极管反向恢复特性曲线。电流为2倍额定电流4800A，直流电压为1300V。1700V二极管的动态特性确保了它在各种条件下，尤其是在低温和小电流时，具有软恢复、高耐用性和高可靠性的特点。图13：1700V/2400AE2二极管反向恢复参数Erec,Qrr和Irr(反向Ic)(Vcc=900V,Ls=60nH,Tj=125°C)图14：1700V/2400AE2短路特性(Vcc=1300V,Vge=15V,RG=1Ω,Ls=60nH)在不同的集电极电流IC下，SPT-IGBT的关断和开通损耗、二极管开通时的反向恢复电荷、电流和能耗曲线如图12和图13所示。图1