深度了解第8代1800A/1200V IGBT功率模塊

圖1：傳統(tǒng)1200V模塊的損耗比率

圖2：工業(yè)LV100封裝外觀

2.第8代芯片技術(shù)

第8代芯片主要采用分段式柵極溝槽（SDA）結(jié)構(gòu)和控制載流子等離子體層（CPL）結(jié)構(gòu)，本節(jié)將對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明。

IGBT模塊的高速開(kāi)關(guān)操作可以降低開(kāi)通損耗，然而，高速開(kāi)關(guān)操作會(huì)帶來(lái)較高的開(kāi)通dv/dt。眾所周知，它是一種電磁干擾（EMI）輻射噪聲源，會(huì)對(duì)用戶的電動(dòng)機(jī)絕緣產(chǎn)生應(yīng)力，所以應(yīng)通過(guò)增加?xùn)艠O電阻（RG）來(lái)將開(kāi)通dv/dt限制在一定值以下，然而較大的RG會(huì)降低IGBT模塊的開(kāi)關(guān)速度，并導(dǎo)致較高的開(kāi)通損耗。因此，有必要在不增加RG的情況下降低開(kāi)通dv/dt。圖3和圖4顯示了第7代和第8代載流子存儲(chǔ)式溝槽柵雙極晶體管（CSTBTTM）的截面示意圖[3]，在第7代CSTBTTM中，與柵極相連的有效溝槽和與發(fā)射極相連的無(wú)效溝槽交替放置。而在第8代CSTBTTM中，無(wú)效溝槽被SDA溝槽取代，在這一配置中，溝槽內(nèi)部的電極分為兩段，SDA溝槽的上電極連接到發(fā)射極，而下電極連接到柵極。此外，CPL被應(yīng)用于第8代CSTBTTM的背面緩沖層。圖5-(a)和(b)顯示了第7代和SDA結(jié)構(gòu)的芯片特性，顯示了發(fā)射極電流（IE）與開(kāi)通dv/dt的關(guān)系，圖5-(a)中的橫軸表示額定IE低于100%的區(qū)域，圖5-(b)中的橫軸表示額定IE低于2%的區(qū)域。SDA結(jié)構(gòu)在不增加?xùn)艠O-發(fā)射極電容（CGE）的情況下增加了柵極-集電極電容（CGC），如圖5-(a)和(b)所示，增加CGC可以降低小電流下的開(kāi)通dv/dt，而不會(huì)影響大電流下的開(kāi)通dv/dt[4]。SDA結(jié)構(gòu)的這一效應(yīng)很重要，因?yàn)樵谛‰娏飨麻_(kāi)通dv/dt通常是最高的。

圖3：第7代CSTBTTM示意圖

圖4：第8代CSTBTTM示意圖

條件：Tvj=25°C，VCC=750V，VGE=15V，RG=0Ω

圖5-(a)：芯片參數(shù)（0-100%區(qū)域）：發(fā)射極電流與開(kāi)通dv/dt的關(guān)系

條件：Tvj=25℃，VCC=750V，VGE=15V，RG=0Ω

圖5-(b)：芯片參數(shù)（0-2%區(qū)域）：發(fā)射極電流與開(kāi)通dv/dt的關(guān)系

穩(wěn)態(tài)和開(kāi)關(guān)損耗通常可以通過(guò)減小芯片厚度來(lái)降低，優(yōu)化芯片厚度時(shí)應(yīng)考慮擊穿電壓。在有高di/dt的關(guān)斷操作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生關(guān)斷浪涌電壓，如果這個(gè)關(guān)斷浪涌電壓超過(guò)IGBT的擊穿電壓，IGBT模塊將會(huì)損壞。因此，為了減小IGBT厚度并實(shí)現(xiàn)高di/dt下的關(guān)斷操作，抑制關(guān)斷浪涌電壓非常重要。

第8代IGBT調(diào)整了背面緩沖層的設(shè)計(jì)[5]，CPL結(jié)構(gòu)提供了關(guān)斷時(shí)的柔和度。帶CPL和不帶CPL的IGBT關(guān)斷波形如圖6所示，不帶CPL的IGBT顯示出高而尖的關(guān)斷浪涌電壓，浪涌電壓峰值超過(guò)了1200V的額定電壓。反觀，帶CPL的IGBT可抑制關(guān)斷浪涌電壓和振蕩，浪涌電壓峰值保持在1200V的額定阻斷電壓以下，它們?cè)谙嗤瑮l件下進(jìn)行比較，因?yàn)槔擞侩妷汉驼袷幍陌l(fā)生程度通常受到外部電感（Ls）和運(yùn)行條件等因素的影響。這兩種芯片都與第8代IGBT的厚度相同，僅通過(guò)改變背面緩沖層的設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行比較。因此，帶有CPL的第8代IGBT能夠在較高di/dt條件下關(guān)斷運(yùn)行，并減小了芯片厚度，所以第8代IGBT可以降低功率損耗。

條件：Tvj=150℃，VCC=750V，VGE=15V，RG=1.6Ω，IC=額定電流

圖6：帶CPL和不帶CPL的IGBT關(guān)斷波形

第8代芯片采用了SDA柵極結(jié)構(gòu)和CPL結(jié)構(gòu)等技術(shù)來(lái)提高功率密度。

3.第8代IGBT模塊的評(píng)估結(jié)果

本節(jié)對(duì)LV100封裝中配備第2節(jié)所述第8代芯片的第8代額定1800A/1200V的IGBT模塊和配備第7代芯片的傳統(tǒng)模塊CM1200DW-24T（1200A/1200V額定）進(jìn)行了評(píng)估。

圖7展示了芯片面積和結(jié)殼熱阻（Rth(j-c)）的歸一化比較，第8代1200V等級(jí)芯片組的芯片面積針對(duì)LV100封裝中的芯片安裝區(qū)域進(jìn)行了優(yōu)化。第8代IGBT采用的芯片面積比第7代IGBT面積大39%，從而降低了Rth(j-c)，擴(kuò)大IGBT面積還可以降低IGBT的穩(wěn)態(tài)損耗。

第8代二極管優(yōu)化了芯片厚度，調(diào)整了損耗折衷曲線，以發(fā)揮第8代IGBT的性能。此外，該二極管通過(guò)采用比第7代二極管面積大18%的芯片面積來(lái)減少Rth(j-c），擴(kuò)大的二極管面積還可以降低二極管的穩(wěn)態(tài)損耗，而且，第8代IGBT模塊通過(guò)優(yōu)化封裝內(nèi)部的設(shè)計(jì)，擴(kuò)大了芯片安裝的可用面積。

圖7：1200V芯片面積和Rth(j-c)

圖8-(a)和(b)顯示了在上述條件下評(píng)估開(kāi)通dv/dt與IE的關(guān)系，圖8-(a)中的橫軸表示額定IE低于100%的區(qū)域，圖8-(b)中的橫軸表示額定IE低于2%的區(qū)域。與芯片特性類似，第8代模塊和傳統(tǒng)模塊在小電流下的開(kāi)通dv/dt都高于大電流下的開(kāi)通dv/dt，特別是在額定IE低于0.5%的區(qū)域，傳統(tǒng)模塊的開(kāi)通dv/dt明顯更高。相比之下，第8代模塊在低于額定IE的所有區(qū)域的開(kāi)通dv/dt都比傳統(tǒng)模塊低，尤其是通過(guò)應(yīng)用SDA結(jié)構(gòu)，第8代模塊在低于額定IE 0.5%的小電流下的開(kāi)通dv/dt得到了有效降低，并且通過(guò)擴(kuò)大芯片面積和折衷曲線，也降低了大電流區(qū)域的開(kāi)通dv/dt。

圖9顯示了第8代模塊和傳統(tǒng)模塊在最大開(kāi)通dv/dt時(shí)的發(fā)射極-集電極電壓（VEC）波形（如圖8-(b)所示，傳統(tǒng)模塊的條件為IE=0%，第8代模塊的條件為IE=0.1%），這些波形也證實(shí)了第8代模塊的dv/dt低于傳統(tǒng)模塊的dv/dt。

條件：Tvj=25℃，VCC=750V，VGE=15V，RG=1.6Ω

圖8-(a)：模塊參數(shù)（0-100%區(qū)域）：發(fā)射極電流與開(kāi)通dv/dt的關(guān)系

條件：Tvj=25℃，VCC=750V，VGE=15V，RG=1.6Ω

圖8-(b)：模塊參數(shù)（0-2%區(qū)域）：發(fā)射極電流與開(kāi)通dv/dt的關(guān)系

條件：Tvj=25℃,，VCC=750V，VGE=15V，RG=1.6Ω，IE=最大開(kāi)通dv/dt時(shí)的電流

圖9：最大開(kāi)通dv/dt時(shí)的波形

圖10顯示了開(kāi)通dv/dt與IE的關(guān)系，第8代的開(kāi)通dv/dt匹配為20kV/μs，這是傳統(tǒng)模塊的最大值。第8代模塊調(diào)整了RG去匹配傳統(tǒng)模塊的開(kāi)通dv/dt，由于第8代模塊具有較低的開(kāi)通dv/dt，所以可以使用比傳統(tǒng)模塊更小的RG。減小的RG為第8代模塊提供了高速開(kāi)關(guān)操作的可行性，并且可以降低每個(gè)脈沖的開(kāi)通開(kāi)關(guān)能量（Eon）。

條件：Tvj=25℃，VCC=750V，VGE=15V

圖10：模塊參數(shù)（0-2%區(qū)域）：發(fā)射極電流和RG與開(kāi)通dv/dt的關(guān)系

圖11顯示了第8代模塊和傳統(tǒng)IGBT模塊的Eon與開(kāi)通dv/dt之間的關(guān)系，與傳統(tǒng)模塊相比，第8代模塊在開(kāi)通dv/dt=20kV/μs條件下Eon降低了約60%。

條件：Tvj=150℃，VCC=750V，VGE=15V，IC=1800A，dv/dt=20kV/μs

圖11：Eon與開(kāi)通dv/dt的關(guān)系

4.第8代IGBT模塊的電氣參數(shù)和輸出功率

圖12顯示了傳統(tǒng)CM1200DW-24T（額定值1200A/1200V）和第8代額定值1800A/1200V的LV100封裝IGBT功率模塊的電氣參數(shù)，傳統(tǒng)模塊使用可用的最小RG值，此時(shí)的開(kāi)通dv/dt為20kV/μs。第8代模塊的RG已調(diào)整為與傳統(tǒng)模塊的開(kāi)通dv/dt相匹配，兩者的損耗比較結(jié)果如下所述。

(a). VCEsat

通過(guò)擴(kuò)大芯片面積和減小芯片厚度可降低VCEsat。

(b). VEC

通過(guò)擴(kuò)大芯片面積、優(yōu)化芯片厚度和折衷曲線，可降低VEC。

(c). Eon

通過(guò)采用SDA結(jié)構(gòu)和減小芯片厚度，可減少Eon。

(d). Eoff

擴(kuò)大芯片面積會(huì)增加Eoff，而減小芯片厚度則可降低Eoff，因此，Eoff調(diào)整為與傳統(tǒng)模塊相似的損耗曲線。

(e). Err

擴(kuò)大芯片面積和折衷曲線，Err會(huì)增加。

(a) VCEsat與IC的關(guān)系

(b) VEC與IE的關(guān)系

條件：Tvj=150℃，VCC=750V，VGE=15V，IC，IE=~1800A

圖12-(a)(b)：傳統(tǒng)和第8代IGBT模塊的電氣特性（穩(wěn)態(tài)）

(c) Eon與IC的關(guān)系

(d) Eoff與IC的關(guān)系

(e) Err與IE的關(guān)系

條件：Tvj=150℃，VCC=750V，VGE=15V，IC，IE=~1800A，dv/dt=20kV/μs

圖12-(c)(d)(e)：傳統(tǒng)和第8代IGBT模塊的電氣特性（動(dòng)態(tài)）

圖13顯示了IGBT模塊的載波頻率（fC）和輸出電流（IOUT）之間的關(guān)系，橫軸表示載波頻率（fC），縱軸表示輸出電流（IOUT）。這是通過(guò)圖12中的電氣參數(shù)計(jì)算得出的。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)模塊相比，第8代IGBT模塊的輸出功率可以提高約25%，通過(guò)優(yōu)化冷卻條件和其他因素，還可以進(jìn)一步提高IOUT。

條件：Tvj=150℃，VCC=750V，M=0.75，PF=1，fO=50 Hz，強(qiáng)迫風(fēng)冷，Ta=40℃，3電平A-NPC拓?fù)?/strong>