1 引言
近幾年來，主要用于電能控制與變換的電力電子學(xué)迅速地?cái)U(kuò)展了它的應(yīng)用領(lǐng)域。市場對于最新的電能變換系統(tǒng)的要求主要集中在：尺寸小、重量輕以及效率高。因此，就要求功率半導(dǎo)體技術(shù)要在獲得更高性能、更先進(jìn)功能以及更大功率處理能力等方面有所進(jìn)步。
系統(tǒng)縮小尺寸的解決方案之一是使用igbt-pim(功率集成模塊)，將倒相電路、動(dòng)態(tài)保護(hù)電路以及整流二極管都集成在同一個(gè)模塊中。近幾年來，最大額定電流低于100a的pim，由于尺寸小、易裝配、更經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，其市場需求不斷增長。
下一代igbt模塊應(yīng)當(dāng)具有更小尺寸和更經(jīng)濟(jì)的特征。實(shí)現(xiàn)高性能緊湊型igbt模塊的關(guān)鍵技術(shù)在于，在處理好電與熱性能的同時(shí)如何減小芯片面積。igbt芯片無疑是模塊中最重要的部分，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)給予特別的重視，以體現(xiàn)出最高的價(jià)值。因?yàn)樗鼈儾坏悄K中尺寸最大的部件，也是模塊中溫升最高的部分，所以需要做好散熱措施。因此，對于制造高性能緊湊型模塊，重要的是同時(shí)改進(jìn)芯片技術(shù)和封裝工藝，也就是說，igbt應(yīng)能承受更大的功耗，并且要使用lti(低熱阻)封裝。
新模塊必須具有的另一個(gè)特征是低噪聲輻射。igbt開關(guān)工作時(shí)的功耗分為“靜態(tài)”功 耗和“動(dòng)態(tài)”功耗。靜態(tài)功耗與通態(tài)壓降(von)相關(guān)，與占空比也有一定的關(guān)系，但并不強(qiáng)烈地依賴于驅(qū)動(dòng)條件。然而，包含開通與關(guān)斷能量在內(nèi)的動(dòng)態(tài)功耗卻與驅(qū)動(dòng)條件顯著相關(guān)。
本文介紹了利用先進(jìn)的槽柵場中止硅片技術(shù)和lti封裝制造的1200v igbt模塊，它們是根據(jù)pcim-2007所發(fā)表的原理[1-2]而最新開發(fā)的。

2 igbt開關(guān)行為
2.1 性能的挑戰(zhàn)
如圖1所示，場終止結(jié)構(gòu)可以顯著地減小器件厚度，因此，器件性能得以大幅提高。然而，上世紀(jì)90年代早期發(fā)現(xiàn)的外延型igbt的關(guān)斷振蕩問題再次成為一個(gè)潛在的隱患。當(dāng)器件變薄的同時(shí)，耗盡層更容易“穿通”到場中止層，這正是引起關(guān)斷振蕩的機(jī)理。因此，振蕩的臨界電壓應(yīng)當(dāng)位于安全工作區(qū)之外。

圖1 歷代1200v igbt芯片一覽

為了減薄器件的厚度，必須在振蕩的臨界電壓與擊穿電壓之間權(quán)衡并做出突破。臨界電壓隨著硅片電阻率的降低而增長，然而與此同時(shí)，擊穿電壓卻降低。

如圖2所示的“理想因子”，是理解這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的重要工具?！袄硐胍蜃印笔钦鎸?shí)器件的擊穿電壓與具有相同體電阻率和厚度的平面結(jié)理論擊穿電壓值之比。

圖2 作為器件厚度的函數(shù)，“理想因子”要求fs-igbt沒有關(guān)斷振蕩

為了避免關(guān)斷振蕩，厚度為140μmfs-igbt的理想因子需設(shè)計(jì)到70%，然而，厚度為120μm器件的理想因子至少要設(shè)為86%，才能不產(chǎn)生關(guān)斷振蕩。
2.2 簡便的dv/dt控制
眾所周知，續(xù)流二極管(fwd)的軟反向恢復(fù)特性對于獲得較低的開通dv/dt來講很重要，但是卻很少有發(fā)表的論文指出igbt開通特性的重要性。
在20世紀(jì)普及的平面柵igbt有著簡單的柵極結(jié)構(gòu)，因此，很容易根據(jù)其物理尺寸推斷出它的動(dòng)態(tài)特性。然而，槽柵igbt的柵極結(jié)構(gòu)和版圖設(shè)計(jì)更加多變，為在低von和指定短路耐量之間取得平衡而采用的優(yōu)化方法也更加復(fù)雜。
圖3所示為不同槽柵設(shè)計(jì)、不同柵極電阻下的開通di/dt和dv/dt可控性的例子。其中，導(dǎo)通電流為15a，是額定電流75a的1/5，柵極電阻從 7.7ohm變化到40ohm。fwd與igbt分別被裝在專用的測試座上，以便在使用相同fwd的條件下，單獨(dú)提取出不同igbt設(shè)計(jì)所帶來的影響。

圖3 不同溝槽柵設(shè)計(jì)的igbt，在不同的柵極電阻r_g下小電流開通dv/dt的可控性

顯而易見的是，開通行為取決于槽柵的設(shè)計(jì)?？梢钥吹讲蹡臿對于使用不同的柵極電阻，開關(guān)波形變化很小。這意味著這個(gè)器件很難通過柵極電阻來控制di/dt和dv/dt。另一方面，槽柵c顯示出了突出的可控制性。集電極峰值電流、di_c/dt與dv_ak/dt都可以很簡單的通過變化柵極電阻來控制。
對于fwd來說，硬開關(guān)特性通常被認(rèn)為是不好的設(shè)計(jì)。這顯然是十分正確的，因?yàn)橛卜聪蚧謴?fù)fwd很難被應(yīng)用于新型的igbt模塊。然而，即便fwd被設(shè)計(jì)成具有軟恢復(fù)特性，我們也應(yīng)該注意到，對于槽柵igbt，其開通行為是造成硬開關(guān)特性的另一個(gè)原因。
從以下幾個(gè)方面對v-igbt做了優(yōu)化：
(1) 主結(jié)構(gòu)和結(jié)終端都具有高的“理想因子”。
(2) 盡可能地減薄器件的厚度，同時(shí)避免關(guān)斷振蕩。
(3) 調(diào)整短路電流使其有一個(gè)穩(wěn)定的值，甚至在150℃也具有可以保持10μs的能力。
(4) 盡可能減小柵電容以獲得快速開關(guān)的性能。
(5) 獲得穩(wěn)定的堅(jiān)固性以及長期的可靠性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.1 靜態(tài)特性
優(yōu)化了器件的設(shè)計(jì)之后，用實(shí)驗(yàn)的方法對1200v-75a v-igbt與fwd的芯片組進(jìn)行了評估。圖4所示為在125℃下的j-v特性。為了證實(shí)與常規(guī)器件結(jié)構(gòu)相比的合理性，y軸用電流密度表示。當(dāng)集電極電流密度為115a/cm2時(shí)，v-igbt的導(dǎo)通壓降v_on=1.7v，常規(guī)器件(u4-igbt) von=2.2v，通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)以及減薄厚度，導(dǎo)通壓降v_on有0.5v左右的減小。
導(dǎo)通壓降von的顯著改善說明了，在保持比常規(guī)器件的von低的同時(shí)，額定電流密度可能提高。

圖4 v-igbt的j-v特性

3.2 開關(guān)特性
圖5證實(shí)了v-igbt改善了器件關(guān)斷振蕩的情況。為了創(chuàng)造高峰值電壓的“最差的情況”，特意把主電路中的雜散電感增大到300nh，測試結(jié)果顯示了v-igbt的具有低峰值電壓的特性。測試的條件為v_dc=900v，ic=150a，v_ge=+15v/-15v，t_j=r.t。從圖中很明顯可以看出v-igbt具有軟關(guān)斷特性，并且即使在極端條件下也沒有關(guān)斷振蕩。

圖5 在v_dc=900v, i_c=150a, lstray=300nh的極端條件下，關(guān)斷振蕩測試結(jié)果

圖6 在不同的柵極電阻下，v-igbt(上圖)與常規(guī)igbt(下圖)小電流開通特性的比較結(jié)果

圖7 小電流下的dv/dt(最大值)與大電流下的開通損耗的折衷關(guān)系

這三種有著不同通態(tài)壓降的v-igbt都是在t_j=125℃的條件下測定的。圖7所示為以vigbt為例的通態(tài)壓降與關(guān)斷損耗之間的折衷關(guān)系，v-igbt的關(guān)斷損耗為100μj/a，v_on= 1.8v，比常規(guī)igbt低0.4v。
3.3 對于開關(guān)噪聲損耗的折衷
圖6所示為在不同的柵極電阻下，v-igbt與常規(guī)igbt小電流開通特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測試條件為：v_ce=600v，j_c=11.7a/cm2，v_ge=+15v到-15v，t_j=r.t。正如前面所提到的，fwd的dv_ak/dt與igbt的開通di_c/dt相對應(yīng)。這意味著對于不同的柵極電阻有著極好開通di_c/dt靈敏度(此處極好的靈敏度是指對柵極電阻不敏感—譯者注)的新型igbt，為消除噪聲輻射，對fwd的dv_ak/dt所進(jìn)行優(yōu)化處理更容易控制。

此外，從圖中可以明顯看出v_ce波形很大程度上取決于柵極電阻。柵極電阻越大，v_ce波形的電壓拖尾越長。這些v_ce波形不僅僅是在小電流開通下測得的，它包含了全部的電流變化范圍。因此，使用具有較差di_c/dt控制能力的igbt，為了減小噪聲，會(huì)損失更多的e_on。
圖7所示為在小電流(1/10的額定電流)下fwd的dv_ak/dt(最大值)與在大電流(額定電流)下igbt的e_on的折衷關(guān)系。在測試過程中使用了不同的柵極電阻。所用的測試方法與圖3所使用的方法相同。為了分離出僅由igbt結(jié)構(gòu)差異帶來的影響，采用了相同的fwd測試座。

當(dāng)調(diào)整柵極電阻使得小電流下的開通dv_ak/dt目標(biāo)值為10kv/μs時(shí)，常規(guī)igbt在大電流下的開通損耗為220μj/a。另一方面，新型igbt在大電流下的整個(gè)變化范圍內(nèi)都具有比較低的dv/dt特性，大電流下的eon只有142μj/a，比常規(guī)igbt的eon小36%左右。
在測試的過程中，一開始使用比較小的柵極電阻，之后緩慢增大rg，使dv/dt達(dá)到目標(biāo)值，v-igbt將比其他種類的igbt更快達(dá)到目標(biāo)值。這意味著在實(shí)際應(yīng)用過程中，v-igbt的開關(guān)損耗比較小。
3.4 堅(jiān)固性
槽柵fs-igbt的重要特征之一是其高溫短路耐量。圖8給出了v-igbt的短路測試結(jié)果。在v_dc=800v，t_j=150℃條件下，給柵極一個(gè)10μs長的+15v的柵極短路脈沖。器件可以成功關(guān)斷，因?yàn)樵趘-igbt的設(shè)計(jì)過程中對器件進(jìn)行了優(yōu)化，使其具有穩(wěn)定的短路電流。

(a) 10μs長的脈沖

(b)自箝位模式在極端情況下的關(guān)斷情況

圖8 150℃下v-igbt的短路測試結(jié)果

圖8(b)給出了一個(gè)器件在極端條件下仍保持堅(jiān)固的例子。短路測試中故意用很大的主電感，在150℃條件下，給柵極一個(gè)8μs長+15v的脈沖。不采用任何的軟關(guān)斷措施，器件也可以從自箝位模式的臨界狀態(tài)中恢復(fù)。這個(gè)測試同時(shí)證明了v-igbt有更為出色的開關(guān)電流自箝位能力。
3.5 總功率和溫升
在根據(jù)熱測量結(jié)果尋求最適宜的權(quán)衡解決方案的同時(shí)，應(yīng)該注意到新型igbt的額定電流密度是一個(gè)極為重要的因素。一般而言，硅芯片的面積越小，其熱阻也將越大。因此，隨著硅芯片面積的縮小，采用低熱阻的封裝技術(shù)是很必要的。
圖9給出了運(yùn)用在電動(dòng)機(jī)典型的超速傳動(dòng)狀態(tài)下，估計(jì)產(chǎn)生的功耗及△tj。柵極電阻是通過實(shí)驗(yàn)的方法選擇的，這樣這些芯片組就具有小電流開通條件下相似的fwd dv/dt值。從圖9中可以明顯看出，v系列的總功耗為63w，與u4系列的64w類似。圖9還給出了估計(jì)的溫升值。v系列igbt的△tj-c為16.1℃，與上一代模塊的溫升類似。

圖9 調(diào)節(jié)r_g以獲得相似的噪聲峰值，估算產(chǎn)生的總功耗及△t_j

4 產(chǎn)品系列
與s系列和u4系列相比，v系列pim的igbt單元面積更小。其直接結(jié)果是模塊的功率容量得到了提高。
圖10給出了1200v igbt模塊功率范圍擴(kuò)大的發(fā)展歷史。左圖描述的是pim發(fā)展趨勢。s系列(第四代)尺寸為ep2的峰值電流僅僅是25a，尺寸為ep3的峰值電流為75a。然而，v系列(第六代)的電流能力是它的兩倍，ep2達(dá)到50a，ep3則達(dá)到150a。

圖10 1200v igbt模塊功率范圍擴(kuò)大的發(fā)展歷史

二合一模塊的功率容量也得到了顯著的擴(kuò)大。厚度為17mm采用ep3封裝的二合一模塊(122x62mm)具有最高1200v-600a的額定電壓和電流，而在常規(guī)的u系列中額定電流通常只有450a。

5 結(jié)束語
本文介紹了fuji v系列的igbt pim。第六代芯片的結(jié)合使實(shí)現(xiàn)“低噪聲輻射”、“緊湊性”以及“高性能”的igbt pim成為可能。使用與ep3尺寸兼容的封裝，pim的功率范圍可以被擴(kuò)大到1200v-150a。新型的fuji pim為電力電子行業(yè)提供了更加有效、經(jīng)濟(jì)的解決方案。

參考文獻(xiàn)
[1] m.otsuki, “the 6th generation 1200v advanced trench fs-igbt chip technologies achieving low noise and improved perbbbbance,” in pcim 2007.
[2] y.kobayashi, “the new concept igbt-pim with the 6th generation v-igbt chip technology”, in pcim 2007.