1 引言
絕緣柵雙極晶體管(igbt)是一種在功率電子產(chǎn)品中日益普及的半導體元件，如果在《維基百科全書》^[1]中輸入關鍵詞“igbt”，得到的結果是：它兼具雙極晶體管(低飽和電壓能力、高反向擊穿電壓)和場效應晶體管(幾乎無功耗的控制)的優(yōu)點。接著，《維基百科全書》還說“缺點是開關損耗比mosfet要大，并且在開關導通的條件下總是存在幾伏的電壓降”?！毒S基百科全書》全面地描述了igbt進一步發(fā)展的目標。同時降低igbt的飽和電壓和開關損耗意味著在靜態(tài)和動態(tài)損耗之間找到一條更折中的新曲線。今天，先進的igbt是溝槽柵/電場截止器件。
(1) 溝槽柵igbt
溝槽柵igbt的mos溝道相對于平面igbt旋轉了90°。因此，在芯片頂部能實現(xiàn)更高的集成密度，這使得頂部/發(fā)射極能夠通過更多的電荷載流子。但最大的溝道密度不僅會惡化短路的健壯性，還會極大地增加關斷時的損耗。將適當?shù)臏喜蹡琶芏?、較低的背發(fā)射極效率(集電極摻雜)和較高的電荷載流子壽命很好地結合在一起，能在不增大關斷損耗的同時，有效地降低飽和電壓^[2]。
(2) 電場截止
在電場截止igbt中，靠近集電極的位置引入了附加的n+層。這一層被稱為電場截止層，能在很小的空間內(nèi)降低電場強度。因此，就有可能使芯片變得更薄，從而降低靜態(tài)和動態(tài)損耗。但是，在開關過程中，對于尾電流有貢獻的載流子數(shù)量，是由其中的載流子沒有被電場抽取的那部分硅的體積所決定的。尾電流/電荷對于igbt的軟化度十分關鍵。在過電壓快速變化的情況下，空間電荷區(qū)會深入電場截止層，剩余/尾電荷變得很少。達到臨界電壓時，尾電流消失，電流瞬間關斷。這會引起很大的難以控制的過電壓。至今為止，這一問題一直是高功率應用中，溝槽柵電場截止模塊的設計中所面臨的重大挑戰(zhàn)。圖1為目標功率循環(huán)曲線：igbt4 1200v與標準模塊的對比。

2 適用于高功率模塊的1200v溝槽柵+電場截止的軟開關igbt4
igbt4是英飛凌即將面世的新一代1200v igbt。它的一個主要特點/優(yōu)勢是所能承受的最高結溫達175℃。這是英飛凌第一次將最高175℃的結溫引入到第3代600v的功率半導體器件中。文獻[3,4]給出了更全面的討論。這里，最大結溫提高所帶來的主要優(yōu)勢是具有更大的輸出功率能力(在相同的散熱條件下，利用全溫度擺幅能提高20%)。更高的溫度擺幅得到了改進的功率循環(huán)可靠性的支持(見圖1)。對于高達150℃的工作溫度，目標是能維持以前模塊在125℃時的功率循環(huán)能力。

圖1 目標功率循環(huán)曲線：igbt4 1200v與標準模塊的對比

1200v igbt4是一個產(chǎn)品系列，具有經(jīng)過優(yōu)化的垂直結構，分別對應于低電壓、中等電壓和高電壓的應用(見圖2)，并且對不同功率級別的典型開關頻率進行了優(yōu)化。本文重點探討高功率應用，也就是額定電流超過1200a的模塊。下面的測量是在2400a的英飛凌—eupec ihm單開關模塊上進行的。

圖2 不同代際的英飛凌igbt的關斷損耗與飽和電壓之間的關系

測量波形如圖3，4所示。圖3為英飛凌-eupec 2400a單開關ihm模塊在室溫下的關斷曲線：電容陣列的雜散電感=50nh。圖4是使用igbt4的英飛凌-eupec 2400a單開關ihm模塊在125℃時的軟化關斷特性，電容陣列的雜散電感=50nh。

圖3 關斷曲線

圖4 軟化關斷特性

2.1軟化度
需要說明的是，對于使用相同igbt芯片的模塊，電流瞬間關斷的趨勢取決于模塊的額定電流。在今天的大電流模塊中，多達24個150a的igbt并聯(lián)在一起。由于igbt的開關速度幾乎與額定電流無關，因此電流梯度di/dt與額定電流成正比。由于寄生雜散電感的存在，會引起很高的動態(tài)過電壓以及電流的瞬間關斷。此外，雖然英飛凌高功率模塊中的igbt是以一種十分對稱的方式排列的，任何電流分享上的失衡都會惡化這些效果。因此，igbt較軟的關斷特性是高功率模塊能夠安全工作并且可被控制的必要前提。由于開關頻率較低，減小傳導損耗成為主要的開發(fā)目標。這也為軟化度的優(yōu)化創(chuàng)造了條件，即使這與低功率模塊的芯片優(yōu)化相比要以更高的開關損耗為代價。對于igbt4的軟化度研究表明，最關鍵的情形是在過電壓較大時的大電流轉換圖3 。在室溫下的600v測量條件下，觀察到微小的振蕩。這可以被看作是電流瞬間關斷的開始。
圖5a)igbt3和4的可控性（vce=800v；ic=2400a；tj=25℃；有源鉗位vbr=900v）；上圖：過電壓峰值與rg的關系—igbt4只需要0歐姆就能滿足過電壓要求，而igbt3的柵電阻必須超過2歐姆；下圖：關斷損耗與rg的關系->可控性提高導致關斷損耗的降低（兩組特性都只適用于具有有源鉗位的驅動器電路，其中通過一個擊穿電壓vbr=900v的齊納二極管將集電極電壓耦合到柵上）。

圖5a) igbt 3和4的可控性

圖5b) 具有有源柵控能力的igbt的關斷特性

但是當工作在125℃或150℃的溫度下，這一振蕩卻消失了(圖4)，并且—像下一節(jié)所示的那樣—這一室溫下微小的瞬間關斷并不影響igbt的可控性。與以前的溝槽柵電場截止igbt相比，新的高功率igbt4在工作條件下不會出現(xiàn)電流瞬間關斷的現(xiàn)象。
圖5b)是具有有源柵控能力的igbt的關斷特性，與圖5a)的上圖相對應(vce=800v；ic=2400a；vbr(有源鉗位)=900v)。
2.2可控性與關斷損耗
除重要的軟化度外，關斷的di/dt要具有簡單的可控性也十分重要，因為對于這一類的性能，有源（di/dt）控制通常至少能夠限制逆變器過載情況下的過電壓峰值。在英飛凌—eupec ihm模塊(圖5)中的2400a單開關中，使用簡單的有源鉗位對特性進行有源控制。測量的結果顯示，新型芯片能容易地被控制，這在前代芯片中必須使用很大的rg，付出由dv/dt減小導致的損耗急劇增加的代價才能獲得同樣的效果。在2400a的標稱電流和800v的直流電壓下，改進的軟化度帶來了關斷損耗約70mj的減小。另一方面，需要在軟化度和尾電流之間進行權衡，因此軟化度的優(yōu)化與電流較低時關斷損耗的增加是相聯(lián)系的。當集電極電流較小時，尾電流對于關斷損耗的影響要大于di/dt和dv/dt，其中di/dt和dv/dt主要由柵電阻決定。通常，應用在熱量上被限制在大電流水平，而且整個正弦波上的全部損耗都需要被考慮（圖6）。這里與igbt3相比，igbt4顯示出5%的優(yōu)勢。

圖6 正弦電流的關斷損耗

圖6正弦電流的關斷損耗（vce= 800v；tc=25℃；有源鉗位vbr=900v；選擇rg(igbt4)=0.47ohm和rg(igbt3)=1.2ohm使vcemax<1150v）；當ic>1000a時，eoff(igbt4)< eoff(igbt3)->總體上，igbt4的關斷損耗比igbt3約小5%。
2.3開啟損耗
對于開啟的情況，二極管特性在可容忍的emc(電磁兼容)特性下對于達到優(yōu)化的損耗具有決定性的影響。igbt4的高功率伴隨著一種emcon4，它同時也針對軟化特性進行了嚴格的優(yōu)化。因此，這一款igbt能更快地開啟。利用二極管的軟化性優(yōu)勢，開啟損耗能被減少高達20%。

3 結束語
經(jīng)過優(yōu)化的高功率igbt4是英飛凌所提供的一款軟化度很好的溝槽電場截止元件，一個較小的柵電阻就能控制標稱值高達3600a的大電流。由于在工作時使用了有源柵控，使得在800v的直流鏈電壓下，總的關斷損耗(在整個工作范圍內(nèi)的總和)降低了5%，并且通過改進的二極管也減小了開啟損耗(~20%)。考慮到工作溫度有25℃的增加，這意味著在散熱器相同的情況下，逆變器的輸出功率大約比igbt3模塊增加了20%(圖7)。

圖7 2400a單開關ihm模塊在600v直流鏈下的最大rms輸出電流與開關頻率之間的關系

圖7為2400a單開關ihm模塊在600v直流鏈下的最大rms輸出電流與開關頻率之間的關系(使用iposim[5]進行計算，散熱器—rth=0.03k/w；環(huán)境溫度=40℃(使用有源柵控來減小測量過程中的動態(tài)損耗))
經(jīng)過優(yōu)化的封裝技術進一步確保了在工作溫度升高的情況下產(chǎn)品能維持相同的壽命—甚至在可由用戶進行選擇的相似的輸出功率下具有更長的壽命。

參考文獻
[1] http://de.wikipedia.org/wiki/igbt
[2] t.laska, f.pfirsch, f.hirler,j.niedermeyer, c.sch鋐fer, t.schmidt “1200v-trench- igbt study with square short circuit soa” ispsd 1998-kyoto
[3] p.kanschat, t.stolze, t.passe, h.rüthing, f.umbach, o.hellmund “600v igbt3-technology in new low cost modules for consumer drives applications” pcim 2003-nürnberg
[4] p.kanschat, h.rüthing, f. umbach, f. hille, 600v-igbt3: a detailed analysis of outstanding stativ and dynamic properties“ pcim 2004-nürnberg
[5] iposim: igbt power simulation available at www.eupec.com