1 引言
igbt極大地豐富了電源設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)手段，但它的廣泛應(yīng)用受到其最大功率定額的限制。模塊式器件廣泛應(yīng)用于小功率電源，并已大量生產(chǎn)。但如果將其應(yīng)用到大功率場(chǎng)合，就會(huì)使電源可靠性降低[1-7]?，F(xiàn)在很多生產(chǎn)商引入高可靠性的壓裝式器件，這就使得igbt應(yīng)用與特大功率電源成為可能[8-20]。將壓裝式igbt芯片技術(shù)與功率晶閘管和gto封裝技術(shù)[21-26]相結(jié)合，就會(huì)生產(chǎn)出適用于所用功率級(jí)別的壓裝式igbt開關(guān)管。本文將介紹現(xiàn)有的技術(shù)以及將各種不同技術(shù)相結(jié)合的可能性，并分析它所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)和付出的代價(jià)。

2 目前的技術(shù)
現(xiàn)在，許多不同規(guī)格的功率開關(guān)管在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，它們?cè)诟髯缘膽?yīng)用場(chǎng)合都顯示出其自身的優(yōu)點(diǎn)。其中，igbt由于其驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、開關(guān)頻率高，被應(yīng)用到各種場(chǎng)合。但是，目前由于現(xiàn)有igbt定額有限，使得其只局限于小功率場(chǎng)合。如果應(yīng)用于更高的功率場(chǎng)合，只有將其進(jìn)行復(fù)雜的串并聯(lián)組合，而這又使得系統(tǒng)的可靠性降低。

2.1 現(xiàn)有的功率開關(guān)管
現(xiàn)在沒有一種簡(jiǎn)單的方法可以對(duì)不同規(guī)格開關(guān)管的特性進(jìn)行比較。雖然比較最大電壓定額很容易，由于igbt、gto和igct可控電流的局限性，就使得比較最大工作電流就比較困難。同樣比較可控功率也較困難，因?yàn)樗匈囉趹?yīng)用場(chǎng)合。但是，圖1比較了在各自電壓定額范圍內(nèi)，傳統(tǒng)晶閘管平均電流、igbt、gto和igct最大可控電流，從中我們可以得到一些啟示。圖1中除了gto定額已不可能再有提高外，其它器件的定額隨著技術(shù)的發(fā)展還會(huì)有所提高。

圖1 comparing controllable current

從圖1中可以看出，目前gto、igct是唯一的可以用于大功率場(chǎng)合的開關(guān)管。gto被認(rèn)為最適合應(yīng)用到大功率等級(jí)的場(chǎng)合是因?yàn)槠溆休^厚的n-層和電流定額的關(guān)系。傳統(tǒng)的晶閘管定額有賴于100mm的器件，其在最大裝置中得到廣泛應(yīng)用，例如8kv輕質(zhì)烘烤裝置。

壓裝式igbt及其等效的底層封裝模塊的可控電流將會(huì)在下文中介紹。如果將開關(guān)頻率的因素考慮在內(nèi)的話，壓裝式igbt工作電流的局限性與gto的相一致。但是這個(gè)觀點(diǎn)在特大功率場(chǎng)合并不成立。

2.2 目前igbt的定額
從圖1中可以看出，壓裝式igbt及其等效的底層封裝模塊的可控電流十分相似。但是這一觀點(diǎn)并不是在所有情況下都成立的，本文將會(huì)對(duì)此進(jìn)行討論。

文獻(xiàn)[8-20]對(duì)電流定額從400a到1800a，電壓定額從1.2kv到4.5kv的壓裝式igbt進(jìn)行介紹。這些器件均可用標(biāo)準(zhǔn)的壓裝封裝，如圖2所示[8-10,16-20]。和其它新型器件一樣，它也可以封裝成方形芯片。

圖2 outline of a 1400a pressure contact device

3 可以得到什么
3.1 封裝
常見的壓裝器件封裝是直徑為120mm的圓，其上直徑為85mm的凸起圓。方形封裝的尺寸為140mm，凸起邊緣長(zhǎng)度為92.3mm。為了使其工作電流與傳統(tǒng)的晶閘管相同，必須加大邊緣層。
怎樣將定額與傳統(tǒng)晶閘管和gto相同的壓裝式igbt進(jìn)行封裝是一個(gè)值得探討的問(wèn)題，而這一技術(shù)現(xiàn)在已掌握[21-26]。如圖2所示，要制作硅直徑大于150mm的陶瓷封裝，就必須要求整個(gè)器件直徑大于200mm，凸起圓直徑大于140mm。

對(duì)這類器件進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)還有些問(wèn)題需要解決，但運(yùn)用封裝技術(shù)后，基本的裝配和銜接技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用于大功率晶閘管。

在一個(gè)單獨(dú)的封裝中，為了提高電流定額，就必須將許多獨(dú)立的igbt進(jìn)行并聯(lián)。這就帶來(lái)很多機(jī)械和電氣問(wèn)題，比如怎樣更好地將相互獨(dú)立的芯片連接。機(jī)械設(shè)計(jì)在文獻(xiàn)[16]中已做介紹，該文將一種凸起圓直徑為47mm，400a/1800v的器件提高為凸起圓直徑為75mm適合更大功率場(chǎng)合的器件[17]。這種裝配有兩種選擇，即可以將大的單個(gè)的器件進(jìn)行結(jié)合，又可以將數(shù)倍的更小的下一級(jí)的器件進(jìn)行結(jié)合。

文獻(xiàn)[16]介紹的壓裝式igbt的電氣機(jī)械比例與底層封裝模塊的比例不同，這樣就使得并聯(lián)多個(gè)芯片成為可能。各個(gè)芯片之間只有唯一的電感，如圖3所示。而底層封裝模塊的結(jié)構(gòu)就非常復(fù)雜，其中有多個(gè)電感(如圖4所示)，這就使得封裝尺寸變大。

圖3 distribution of gate inductance , pressure contact device


圖4 distribution of gate inductance , substract mounted device

如果有很多的igbt芯片并聯(lián)就會(huì)使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且它們的g極相聯(lián)，要求很大的g極電流。文[16]提出了一種新型結(jié)構(gòu)(如圖5所示)，很好地解決了這一潛在問(wèn)題，而不需要并聯(lián)大量的線圈。

圖5 planar gate contact

3.2 電壓定額的優(yōu)化設(shè)計(jì)
前面已經(jīng)分析了，igbt與傳統(tǒng)的晶閘管和gto晶閘管/igct不同，它是由很多獨(dú)立的芯片并聯(lián)得到的，它要比一個(gè)大的單獨(dú)的器件更好。這些獨(dú)立的器件或芯片是從同一個(gè)薄硅片切出來(lái)的，以使它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)特性相同。mos的g極的復(fù)雜性限制了各個(gè)獨(dú)立igbt芯片的尺寸，在制造過(guò)程中運(yùn)用合理技術(shù)，一般來(lái)說(shuō)它大概為1cm2 [27]。而各個(gè)igbt芯片的尺寸還決定于附加的各結(jié)點(diǎn)間絕緣面積。電壓絕緣對(duì)平面設(shè)計(jì)很重要，文獻(xiàn)[28-30]介紹了幾種降低結(jié)點(diǎn)損耗的方法。

由此基本的原理可知，優(yōu)化igbt芯片尺寸與其電壓等級(jí)有關(guān)，電壓等級(jí)越高，尺寸越大。圖6近似的給出了芯片邊緣長(zhǎng)度與igbt電壓的關(guān)系曲線。它們均由1800v芯片推廣得到。

圖6 chip size against voltage

圖6在假設(shè)各芯片導(dǎo)通區(qū)域相同時(shí)，并不考慮電壓等級(jí)的變化。在實(shí)際中，可以將較大導(dǎo)通區(qū)域的芯片用于高電壓器件，以減小導(dǎo)通損耗。而限制變化數(shù)量的比較將在后文中介紹，這里暫不考慮。

3.3 igbt預(yù)期的定額
在獲知已有器件特性的基礎(chǔ)上，我們可以預(yù)測(cè)更大規(guī)格器件的特性。有兩種封裝類型可以考慮，一種是傳統(tǒng)的圓形封裝，另一種是更加基本的方形封裝。

在分析優(yōu)化芯片導(dǎo)通區(qū)域特性之前，假設(shè)所用器件為前面所提到的邊長(zhǎng)為12mm的正方形薄硅片。我們將不同電壓定額器件的工作電流進(jìn)行比較，它的電流與導(dǎo)通區(qū)域面積成正比。圖7為芯片工作電流隨電壓等級(jí)變化而變化的曲線，其中以1800v的芯片為基準(zhǔn)，進(jìn)行標(biāo)幺化。從圖中可以看出電流的變化并不是完全有賴于導(dǎo)通電壓的變化，不與電壓等級(jí)成正比。而這是由于很多芯片并聯(lián)，有很多附加變化的因素在影響它，這點(diǎn)將在后文中做介紹。

圖7 normalised current rating per chip

圖8到圖11為圓形并聯(lián)二極管、圓形無(wú)并聯(lián)二極管、方形并聯(lián)二極管和方形無(wú)并聯(lián)二極管四種不同封裝，在不同電壓等級(jí)的情況下，預(yù)測(cè)的工作電流隨邊緣寬度變化而變化的曲線，它們均采用標(biāo)準(zhǔn)12mm的正方形薄硅片。圓形封裝的面積取決于凸起圓的直徑，而方形封裝的面積取決于凸起邊緣的長(zhǎng)度。在所舉例子中，反并二極管占芯片面積的四分之一。每張圖的電壓等級(jí)從1.2kv到6.5kv。在實(shí)際中凸起的寬度是由芯片的面積所決定的，圖中的曲線只是做定性分析。

圖8 12mm chips in a round housing , with diode


圖9 12mm chips in a round housing , without diode


圖10 12mm chips in a square housing , with diode


圖11 12mm chips in a square housing , without diode

圖8和圖9為圓形封裝電流曲線，由于75mm與90mm凸起圓中所含的芯片個(gè)數(shù)相差不多，所以它們電流定額也很相似。隨著封裝的增大，其電流定額相差也逐漸增大。

從圖8到圖11中可以清楚地看出，在相同的面積下，方形封裝的特性要比圓形封裝的好。這是因?yàn)榉叫畏庋b凸起邊緣的面積要比相同直徑圓形封裝的要大，而它們所需的裝配卻基本相同。

圖12和圖13為優(yōu)化后方形封裝電流定額曲線。從圖中可以看出，高電壓等級(jí)的器件的工作電流有了很大的提高。而此種優(yōu)化對(duì)圓形封裝并不起作用。圖14以4.5kv圓形封裝為例說(shuō)明芯片越大，效率越低。因此其特性并不能得到優(yōu)化。

從以上的分析可知，該種器件要小于最大封裝尺寸的傳統(tǒng)晶閘管，這就使得現(xiàn)有的交互性技術(shù)可以應(yīng)用到igbts中。但它并不可以應(yīng)用到所有場(chǎng)合，它所預(yù)測(cè)的電流定額并沒有得到實(shí)際驗(yàn)證。在實(shí)際高電壓器件中，它不僅要考慮電流定額，還要關(guān)注導(dǎo)通損耗。

圖12 chips optimised for size in a square
housing(with diode), vce not taken into consideration


圖13 chips optimised for size in a square
housing(without diode), vce not taken into consideration

4 壓裝式igbt的優(yōu)點(diǎn)
在考慮到封裝電感時(shí)，與其它技術(shù)的器件相比，壓裝式igbt在一些應(yīng)用場(chǎng)合中還有其它的優(yōu)點(diǎn)。

圖14 current rating of 12mm chips compared to
14.7mm chips , for a round housing without diode


圖15 thermal resistance of a round device


圖16 thermal resistance of a square device

4.1 熱電阻
如圖17和圖18所示，在大功率器件中壓裝式器件的熱電阻結(jié)構(gòu)與底層封裝模塊igbt相差很大。igbt只有一個(gè)溫度接觸點(diǎn)，這就可以保證在很多芯片并聯(lián)的情況下均分電流。

圖17(a) maxium permitted power loss , 12mm chips in a
square housing , igbt maxium junction 125℃


圖17 (b) maxium permitted power loss , 12mm chips in a
square housing , igbt maxium junction 150℃


圖18(a) distribution of thermal resistance , pressure contact device


圖18 (b) distribution of thermal resistance , substract mounted device

不考慮封裝尺寸，忽略相鄰芯片之間的熱電阻，壓裝式igbt中每個(gè)芯片的熱電阻在相同結(jié)溫下阻值相同，而這點(diǎn)底層封裝模塊是做不到的，因?yàn)榈讓臃庋b模塊各芯片之間增加了絕緣材料。在很大的模塊器件中，不可能將所有的芯片集成到單個(gè)基板上，因此就會(huì)在各組芯片之間產(chǎn)生變化的熱電阻。在大電流模塊器件中，將所有芯片集成在一個(gè)很大面積的基板上，不難看出外部不同的溫度怎樣直接影響模塊內(nèi)部各個(gè)芯片的工作。

壓裝式igbt的熱電阻是穩(wěn)定的，因此它的瞬時(shí)熱特性與單個(gè)模塊器件完全不同。壓裝式器件與底層封裝模塊相比有很大的熱電容，因?yàn)樗泻芏嗟慕Y(jié)合點(diǎn)，這導(dǎo)致在很短的時(shí)間間隔內(nèi)其熱電阻可以有數(shù)十倍的變化。圖19給出了1400a壓裝式igbt瞬時(shí)熱電阻曲線。從曲線可以看出，在短脈沖的條件下，結(jié)溫幾乎不受瞬時(shí)溫度變化的影響。

圖15和圖16給出了采用標(biāo)準(zhǔn)12mm的正方形薄硅片的四種封裝(圖8～圖11)的壓裝式igbt的熱電阻與邊緣長(zhǎng)度的關(guān)系曲線。這些曲線是從文獻(xiàn)[16-20]所介紹的器件推廣得到的，而這些均已實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖19 transient thermal resistance of a 1400a pressure contact device

4.2 功率定額
通過(guò)熱電阻可以決定器件的最大允許功率損耗，圖17和圖18給出了12mm的正方形薄硅片的方形封裝曲線，并在圖中與其它相同等級(jí)的半導(dǎo)體器件做了比較。其中假設(shè)各個(gè)器件兩面冷卻，且溫度均為50℃。圖17中igbt的最大結(jié)溫為125℃，而圖18為150℃。

從圖中可以清楚地看出壓裝式igbt可以擁有更大功率定額的優(yōu)點(diǎn)，尤其在更高的允許結(jié)溫條件下該優(yōu)點(diǎn)更為突出，如圖18所示。

將單位面積的最大功率轉(zhuǎn)換為最大的工作電流取決于導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。這些因素的影響在高電壓igbt中尤其突出。圖19給出了導(dǎo)通電壓與正向擊穿電壓之間關(guān)系的標(biāo)幺曲線，其中以1800v器件為基準(zhǔn)。開關(guān)損耗曲線與此很類似。而最終這些因素也要取決于應(yīng)用場(chǎng)合。

4.3 散熱特性
散熱特性是判斷壓裝式igbt可靠性的重要標(biāo)準(zhǔn)，如圖20所示。

圖20 thermal cycling perbbbbance

壓裝式igbt在溫度超過(guò)150℃條件下，加速老化試驗(yàn)的結(jié)果令人振奮。樣品在大于90k次的循環(huán)后都沒有損壞。一直到樣品在工作96k次的循環(huán)后才增加5％的導(dǎo)通壓降，最后在116k次的循環(huán)后損壞，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)還在進(jìn)行。從這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以明確的認(rèn)為壓裝式igbt與其他器件相比具有更高的可靠性。

4.4 串并聯(lián)工作
壓裝式器件被認(rèn)為適合應(yīng)用于需要串聯(lián)的場(chǎng)合，它與一些交互式技術(shù)相比，在電氣以及機(jī)械特性上都有很大的優(yōu)點(diǎn)。

一般來(lái)說(shuō)，與gto、igct和傳統(tǒng)的晶閘管相比，igbt所需的門極驅(qū)動(dòng)功率較小。同樣地，與其它器件相比，igbt的開啟電壓要高，這大大降低了由于噪聲而引起的誤導(dǎo)通，關(guān)斷也如此。
在串聯(lián)工作的機(jī)械設(shè)計(jì)方面，壓裝式器件要比模塊技術(shù)有更多的實(shí)現(xiàn)手段?？偟膩?lái)說(shuō)它更緊湊更容易散熱。

壓裝器件一般在短路條件下?lián)p壞，而模塊器件一般是在開路時(shí)損壞。為了保證在短路時(shí)依然工作，就在器件中集成一個(gè)冗余系統(tǒng)，使其在冗余系統(tǒng)損壞時(shí)依然能夠正常工作。

底層封裝模塊為了增加電流定額，將多個(gè)芯片并聯(lián)，而壓裝式器件將多個(gè)芯片串聯(lián)以增加電壓定額。在每個(gè)開關(guān)管電流定額足夠的條件下，將多個(gè)低電壓定額的器件串聯(lián)，就可以降低每個(gè)開關(guān)管的開關(guān)損壞，這樣就可以提高工作頻率。

將多個(gè)低電壓等級(jí)的器件串聯(lián)，在其它的一些應(yīng)用場(chǎng)合還有更多的優(yōu)點(diǎn)。方形封裝3000a/1.8kv帶二極管的igbt其邊緣長(zhǎng)度小與100mm，而在同樣電流等級(jí)和特性的條件下，4.5kv的器件就需要大于120mm。為了減小系統(tǒng)成本和大小，可以用兩個(gè)或三個(gè)更小等級(jí)的器件串聯(lián)。

5 工業(yè)應(yīng)用
價(jià)格低、尺寸小的單個(gè)大導(dǎo)通面積igbt將會(huì)在很多場(chǎng)合得到很廣泛的應(yīng)用。
igbt的市場(chǎng)已經(jīng)建立，并且其電流電壓定額還在不斷提高，現(xiàn)已有2mva的器件。多個(gè)模塊的串聯(lián)或并聯(lián)可以提高器件的功率等級(jí)。最高等級(jí)5mva的商業(yè)利潤(rùn)已經(jīng)很小，并且需要很多的技術(shù)設(shè)備，在考慮到可靠性后，裝配十分復(fù)雜和昂貴。因此，5mva的模塊很少應(yīng)用。

壓裝技術(shù)可以將gto、igct技術(shù)得到提高并運(yùn)用于中等電壓場(chǎng)合。而壓裝式igbt技術(shù)可以應(yīng)用于從hvdc系統(tǒng)到150mva的場(chǎng)合。igbt模塊已運(yùn)用于交通運(yùn)輸系統(tǒng)中，但它仍有很大的局限性。具有很高可靠性的壓裝式igbt可以替代現(xiàn)用于一些特殊場(chǎng)合的gto晶閘管，例如電力機(jī)車。
與傳統(tǒng)技術(shù)和gto相比，壓裝技術(shù)可以使igbt擁有更持久的可靠性。由于一些生產(chǎn)商已經(jīng)生產(chǎn)壓裝式igbt，這就使得其可以應(yīng)用到大功率場(chǎng)合，并在保持可靠性的基礎(chǔ)上替代并聯(lián)模塊和gto，這在工業(yè)上更加可行。那些依靠gto的裝置可以在保持可靠性的基礎(chǔ)上運(yùn)用壓裝技術(shù)以降低成本?，F(xiàn)已有大于120mm壓裝式igbt，在不增加成本的條件下可以實(shí)現(xiàn)其電流與gto/igct技術(shù)相同。電流定額大于4000a用直徑120mm圓形封裝技術(shù)可以做成1200v的igbt，如果用方形封裝電流定額可以大于6000a。

6 結(jié)束語(yǔ)
現(xiàn)在可以制造與其它傳統(tǒng)技術(shù)相同等級(jí)的大功率壓裝式igbt。大功率壓裝式igbt擁有良好的特性，使其可以在所有電源系統(tǒng)中得到廣泛充分地應(yīng)用，尤其是在線電壓很高，要求多個(gè)器件串聯(lián)工作的場(chǎng)合。

壓裝式igbt的進(jìn)一步發(fā)展將會(huì)仔細(xì)地考慮適當(dāng)?shù)姆椒?。很明顯在同樣的裝配尺寸下，方形封裝具有更好的特性，但這并沒有被驗(yàn)證。幾個(gè)低電壓等級(jí)的器件串聯(lián)可以使得其尺寸和特性得到優(yōu)化，但要使其達(dá)到并聯(lián)工作模塊器件的電流定額，還是有困難的。

致謝
作者感謝r.iorns和m.evans，他們?cè)O(shè)計(jì)的1800v igbt已被作為重要參考文獻(xiàn)。還要感謝w.alderson在熱電阻模型上所作的工作。

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