650V IGBT4模塊的性能參數(shù)介紹

1 引言

2003年，英飛凌公司提出了使用溝槽和場截止技術(shù)的600V IGBT3器件，該產(chǎn)品目前仍然是IGBT器件特性的標(biāo)準(zhǔn)。然而，這種600V IGBT3 主要適合小功率應(yīng)用或者雜散電感很低的大功率應(yīng)用。在器件開啟及關(guān)斷時，雜散電感與電流變化量的結(jié)合影響著器件的電壓特性，可以表示為V=L·dI/dt。因此，如果器件關(guān)斷時電感Lσ較大，過壓就會很高。當(dāng)前，為了給不同電路的大電流應(yīng)用提供更多的選擇，一種全新的芯片——650V IGBT4 已設(shè)計(jì)完成。

2 650V IGBT4的設(shè)計(jì)及技術(shù)

與600V IGBT3一樣，新的650V IGBT4也是采用了溝槽的MOS-top-cell薄片技術(shù)和場截止的概念（如圖1 所示），但與600V IGBT3相比，芯片厚度增加了大約15%，并且MOS溝道寬度減小了大約20%（圖1中的紅色部分），因此通過減小電磁干擾改善了關(guān)斷時的軟度，同時獲得了更高的阻斷電壓能力。溝槽和場截止的結(jié)合使通態(tài)損耗和關(guān)斷損耗仍相對較低。當(dāng)然，上述措施自然也會引起附加的損耗。為了補(bǔ)償相應(yīng)的影響，背面發(fā)射極的效率增加了50%。 結(jié)果，650V IGBT4器件關(guān)斷時軟度得以改善，即正向過沖電壓降低，關(guān)斷電流變化率dI/dt減??；同時阻斷電壓增加到650V。另一方面，正向電壓仍然較低，開關(guān)損耗只有適度的增加。

圖1 新型650V IGBT4橫向剖面圖

與600V IGBT3相比的改進(jìn)在圖中已示出：增加了芯片厚度（y），減小了溝道寬度（z），增加了背面P發(fā)射極效率。

3 650V IGBT4的特性

靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)

相比于600V IGBT3，新型650V IGBT4器件的飽和電壓VCE，sat有輕微的增加（~100mV），同時Eoff也有增加，主要原因在于器件具有更軟的開關(guān)行為。如圖2和圖3所示，軟度的改進(jìn)是顯而易見的。

圖2在25℃，600Ａ電流關(guān)斷時， 600V IGBT3 （ａ）和新型650V IGBT4 （ｂ）在關(guān)斷時的軟度比較（在EconoDUALTM3模塊上測量）。圖中示出了電壓VCE（黑色曲線）、集電極電流IC（紅色曲線）及柵極－發(fā)射極電壓VGE（綠色曲線）的變化情況，對于IGBT3，在200V的直流電壓下，已經(jīng)有震蕩發(fā)生；而新型650V IGBT4即使在300V直流電壓下仍表現(xiàn)為軟的開關(guān)特性。

圖2 中對EconoDUALTM3的開關(guān)過程進(jìn)行了比較。這種特殊的高電流電路對600V IGBT3并不太合適。因此，在25℃、200V的直流電壓下，對600Ａ電流關(guān)斷時， 600V IGBT3會產(chǎn)生一個很高的過沖電壓VCE，max和階躍震蕩。相反，特別為這種高電流應(yīng)用相對應(yīng)的模塊類型設(shè)計(jì)的650V IGBT4，即使直流電壓加到300V，仍然顯示出平滑的關(guān)斷特性和很低的過沖電壓VCE，max。

從圖3可見，通過比較軟度參數(shù)VCE，max和電流變化率dI/dt，兩種器件開關(guān)特性的差異也是很明顯的。我們在25℃的溫度下，將器件安裝在DBC表面，對600V IGBT3進(jìn)行了的測試；對新型650V IGBT4，則進(jìn)行了幾種不同變體的測試，包括最終的目標(biāo)設(shè)計(jì)。通過對600V IGBT3和新型650V IGBT4最終變體的測量結(jié)果比較，我們可以看出650 IGBT4與600V IGBT3相比，最大過沖電壓VCE，max減小了大約40V，同時關(guān)斷電流變化率dI/dt下降了20%。

圖3 器件關(guān)斷時軟度參數(shù)的對比結(jié)果

包括電流變化率dI/dt和最大過沖電壓VCE，max，器件則包括600V IGBT3和新型650V IGBT4（紅色菱形）及其不同變體（小的紅色三角形）。所有的數(shù)據(jù)均為在25℃、在DBC表面、同樣的條件下測試。對于新型650V IGBT4的最終變體，最大過沖電壓VCE，max比600 IGBT3減小了大約40V，關(guān)斷電流變化率dI/dt下降了20%。

另一方面，在關(guān)斷時更軟的開關(guān)行為必須付出更高的損耗。但是考慮到常規(guī)的開關(guān)頻率，這種損耗增加無關(guān)緊要。該事實(shí)可以在圖4明顯看出：圖4是IPOSIM的模擬結(jié)果。IPOSIM，是Infineon公司設(shè)計(jì)的一種功率仿真程序，可以在Infineon 網(wǎng)站（www.Infineon.com）找到。它可以完成針對所有組件的開關(guān)和導(dǎo)通損耗的計(jì)算，不但考慮通態(tài)和開關(guān)損失，同時也考慮熱額定值。從圖4 可以看出，由于650V IGBT4的損耗增大引起的模塊電流有效值的減小是很少的，在12kHz以下處于3%到7%的范圍之內(nèi)。而12kHz以下是常規(guī)應(yīng)用典型的開關(guān)頻率范圍。

圖 4 在600A EconoDUALTM3 的模塊中，電流有效值隨開關(guān)頻率變化的計(jì)算結(jié)果：600V IGBT3（黑色線條）、650V IGBT4（紅色線條），模擬條件Rth（heatsink）=0.09K/W，T（ambient）=40℃，Tvj，op=150℃，cos（φ）=0.85）。

3.2短路魯棒性

盡管場截止型場截止型IGBT相對于非穿通型的設(shè)計(jì)相當(dāng)程度的減小了硅片厚度，但它仍然具有良好的短路魯棒性［2，3］。與原來的600V IGBT3相比，新型650V IGBT4，短路魯棒性有顯著的增強(qiáng)。硅片厚度的增加，帶來硅片體積熱容量的增加，從而可以提供更大的熱預(yù)算。 另外，溝道寬度的減小降低了短路電流的水平（這種效應(yīng)見于［4］）?？傊?，650V IGBT4 可以抵抗更高的短路能量，從而使器件能夠耐受更長的短路脈沖時間而不會損壞。

圖5中所示為650V IGBT4短路脈沖測試結(jié)果。曲線示出，短路脈沖時間達(dá)到了15μs，并且短路電流通常約是200A器件標(biāo)稱電流的4.5 倍。盡管由于熱的失控，短路的結(jié)果后來導(dǎo)致了器件的損壞（圖中沒有示出），然而短路關(guān)斷結(jié)果本身是成功的。對典型器件，熱損壞的極限是15μs，低于這種條件，即使脈沖時間達(dá)到14.5μs，器件通常都能耐受下來。考慮到工藝能力的要求，可以說在Tvj=Tvj，op時，器件的額定最大短路脈沖耐受時間從600V IGBT3的6μs提高到目前的新型650V IGBT4的10μs。

圖5. 650V IGBT4的短路脈沖測試結(jié)果

圖中集電極-發(fā)射極電壓VCE（黑色曲線）、集電極電流IC（紅色曲線）、柵極-發(fā)射極電壓VGE（綠色曲線，右側(cè)縱坐標(biāo)），測試條件：VCE =360V， VGE =±15V， Tvj =150℃。

4 最大電流

最大電流是指在在不影響設(shè)備安全狀態(tài)下，所能承受的電流的一個極限值，一般只是允許短時間的出現(xiàn)，否則會引起設(shè)備損壞。

電機(jī)的最大工作電流是電機(jī)可以長時間工作的工作電流，一般可以達(dá)到額定電流的1.2倍左右，一般由于設(shè)計(jì)功率計(jì)算不當(dāng)而導(dǎo)致電機(jī)選擇偏小，但是在超過額定功率的情況下電機(jī)可以持續(xù)工作，此時的工作電流是最大工作電流，

電動機(jī)的起動電流＝堵轉(zhuǎn)電流＝最大電流，三者是同一數(shù)值。對于常用的Y系列三相異步電動機(jī)來說，起動電流是額定電流的5.5~7.0倍，不同功率、不同轉(zhuǎn)速的電機(jī)略有差別。最大瞬間電流三相交流電是額定電流的1.732倍，兩相交流電是1.414倍。

最大短路電流則是在設(shè)備承受極限電流之后，在迅速斷開之前，所承受的電流不會對設(shè)備造成破壞性損壞的最大瞬間承受電流。

額定最大電流：設(shè)備在滿足準(zhǔn)確度、安全性、可靠性的同時允許設(shè)備長期運(yùn)行的最大電流。

5結(jié)論

一種特別為大電流應(yīng)用設(shè)計(jì)的IGBT器件——新型650V IGBT4研制成功。該器件可用于相應(yīng)的模塊，例如62mm，EconoDUALTM3和EconoPACKTM4。該IGBT器件的特征在于改善了關(guān)斷的軟度，即顯著減小了過沖電壓VCE，max和電流變化量dI/dt的值。該器件使得在更高的直流電壓和（或者）連接更大電感的情況下，關(guān)斷EconoPACKTM4變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。另外，這種新型650V IGBT4提供了更高的短路魯棒性，可以耐受10μs的脈沖時間。新型650V IGBT4 具有更好的開關(guān)行為，而依舊只有適度的損耗，這種特性使得更好的短路事件管理成為可能：利用10微秒的耐受時間，進(jìn)行短路情況下的電流探測（比如利用開環(huán)Hall 傳感器等）。

另外，Infineon IGBT模塊內(nèi)部裝配技術(shù)的最優(yōu)化提供了顯著的能量循環(huán)（PC）的改善。這樣至少可以確保在PN 結(jié)工作結(jié)溫Tvj，op=150℃時有優(yōu)秀的PC壽命預(yù)期，或者在用戶選擇較低結(jié)溫下有更長的PC壽命。650V IGBT4在設(shè)計(jì)工程師使用時能提供更有效的自由度。

這種新一代的半導(dǎo)體器件將被用在大家熟知的和未來的IGBT 模塊中。由于前述的眾多改進(jìn)，對不同的應(yīng)用需求，新一代的IGBT4 模塊都將是一個明智的選擇。