英飛凌各代IGBT模塊技術(shù)詳解

1、英飛凌各代IGBT模塊技術(shù)詳解IGBT 是絕緣門極雙極型晶體管Isolated Gate Bipolar Transistor的英文縮寫。它是八十年代末，九十年代初迅速開展起來的新型復(fù)合器件。由于它將 MOSFET和 GTR 的 優(yōu)點(diǎn)集于一 身，既有輸入阻抗高，速度快，熱穩(wěn)定性好，電壓驅(qū)動MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，克服 GTR 缺點(diǎn)；又具有通態(tài)壓降低，可以向高電壓、大電流方向開展 GTR 的優(yōu)點(diǎn)， 克服 MOSFET的缺點(diǎn)等綜合優(yōu)點(diǎn)，因此 IGBT開展很快，在開關(guān)頻率大于1KHz ,功率大于 5KW 的應(yīng)用場合 具有優(yōu)勢。隨著以 MOSFET、IGBT 為代表的電壓控制型器件的 出現(xiàn)，電力電子技術(shù)便

2、從低頻迅速邁入了高頻電力電子階段，并使電力電子技術(shù)開展得更加豐富，同時為高效節(jié)能、省材、新能源、自動化及智能化提供了新的機(jī)遇。英飛凌/ EUPEC IGBT 芯片開展經(jīng)歷了三代，下面將具體介紹。一、IGBT1 平面柵穿通PT型 IGBT 1988 1995 西門子第一代 IGBT 芯片也是采用平面柵、PT型 IGBT 工藝，這是最初的 IGBT 概念原型產(chǎn)品。生產(chǎn)時間是 1990年1995年。西門子第一代 IGBT以后綴為“ DN1 來 區(qū)分。如 BSM150GB120DN1。11 GEGSiO. CPT型 IGBT 是在厚度約為 300 500 m的硅襯底上外延生長有源層， 在外延層上制作

3、IGBT 元胞。 PT-IGBT 具有類 GTR 特性，在向 1200V 以上高壓方向開展時，遇到了高阻、 厚外延難度大、本錢高、可靠性較低的障礙。因此， PT-IGBT 適合生產(chǎn)低壓器件，600V 系列 IGBT有優(yōu)勢。二、IGBT2 第二代平面柵 NPT-IGBT西門子公司經(jīng)過了潛心研究，于1989年在 IEEE 功率電子專家會議PESC 上率先提出了 NPT - IGBT 概念。由于隨著 IGBT 耐壓的提高，如電壓 VCE 1200V,要求 IGBT 承受 耐壓的 基區(qū)厚度dB100 鞏在硅襯底上外延生長高阻厚外延的做法，不僅本錢高，而且 外延層的摻 雜濃度和外延層的均勻性都難以保證。

4、1995年，西門子率先不用外延工藝，采用區(qū)熔單晶硅 批量生產(chǎn) NPT - IGBT產(chǎn)品。西門子的 NPT-IGBT 在全電流工作區(qū)范圍內(nèi) 具有飽和壓降正溫度系數(shù)，具有類 MOSFET的輸出特性。圖 1.2 NPT-IGBT 結(jié)構(gòu)圖西門子/ EUPEC IGBT2 最典型的代表是后綴為“ DN2K列。如 BSM200GB120DN2。“DN2列最正確適用頻率為 15KHz 20KHz，飽和壓降 VCEsat=2.5V。DN 踹列幾乎適 用于所有的應(yīng)用領(lǐng)域。西門子在“ DN 蹤列的根底上通過優(yōu)化工藝，開發(fā)出 “ DLC列。“ DLC 系列是低飽和壓降，VCEsat=2.1V ,最正確開關(guān)頻率范圍為

5、 1KHz 8KHz。DLC列是適用于變頻器等頻率較低的應(yīng)用場合。后來 Infineon /EUPEC 又推出短拖尾 電流、高頻“KS 俟列?！癒S 帝列是在“DN 如勺根底上，開關(guān)頻率 得到進(jìn)一步提高，最正確使用開關(guān)頻率為 15KHz 30KHz。最適合于逆變焊機(jī)，UPS ,通信電源，開關(guān)電源，感應(yīng)加熱等開關(guān)頻率比擬高fK 20KHz 的應(yīng)用場合。在這些應(yīng)用領(lǐng)域，將逐步取代 “ DN浜 列。EUPEC用“ KS 思片開發(fā)出 H 一橋四單元IGBT 模塊, 其特征是內(nèi)部封裝電感低， 本錢低，可直接焊在 PCB 版上(注：這種結(jié)構(gòu)在變頻器應(yīng)用 中早已成熟，并大量使用)?？?之，EUPEC IGB

6、T 模塊中“ DN2 “ DLG “ KS 城用 NPT工藝，平面柵結(jié)構(gòu)，是第二 代 NPT-IGBT。三、IGBT3 IGBT3 一溝槽柵(Trench Gate)在平面柵工藝中，電流流向與外表平行時，電流必須通過柵極下面的 p阱區(qū)圍起來的一個 結(jié)型場效應(yīng)管(JFET),它成為電流通道的 一個串連電阻，在溝槽柵結(jié)構(gòu)中，這個柵下面的JFET 通過干法刻蝕工藝消除了，因此形成了垂直于硅片外表的反型溝道。這樣IGBT 通態(tài)壓降 中剔除了 JFET 這局部串聯(lián)電阻的奉獻(xiàn)，通態(tài)壓降可大大降低。Infineon /EUPEC 1200V IGBT3 飽和壓降 VCE(sat) = 1.7V電場終止層(F

7、ield Stop )技術(shù)是吸收了 PT、NPT兩類器件的優(yōu)點(diǎn)。在 FS層中其摻雜濃度比 PT結(jié)構(gòu)中的 n+緩沖層摻雜濃度低，但比基區(qū)n 層濃度局，因此基區(qū) 可以明顯減薄(可以減薄 1/3左右)，還能保證飽和壓降具有正溫度系數(shù)。由于仍然是在區(qū)熔單晶硅中(沒有外延)制作 FS層，需進(jìn)行離子雙注入，又要確保飽和壓降的正溫度系數(shù)，工 藝 難度較大。 C圖 1.3溝槽柵+ FS IGBT 結(jié)構(gòu)圖EUPEC 第三代 IGBT 有兩種系列。后綴為 “KE舛勺是低頻系列，其最正確開關(guān)頻率為1K 一8KHz。1200V IGBT 飽和壓降 VCE(sat) = 1.7V ,最適合于變頻器應(yīng)用。在變頻器應(yīng)用中，

8、 北京 晶川公司在中國已完成用“ KE系列代替“ DLGC 列的工作。在 “ KE的根底上，采用淺溝槽和優(yōu)化“ FSf離子注入濃度、厚度以及集電區(qū)摻雜濃度等，又開發(fā)出高頻系列，以 后綴“ KT 的標(biāo)志。EUPEC “ KT3 系列在飽和壓降不增加的情況下，開關(guān)頻率可提高到 15KHz ,最適合于 8KHz 15KHz的應(yīng)用場合。在開關(guān)頻率 fK 8KHz用中，“KT3B匕“KE狒關(guān)損耗降低 20%左右。Infineon / EUPEC 600V 系列 IGBT3 后綴為“KE3；是高 頻 IGBT 模塊，開關(guān)頻率可到達(dá) 20KHz，飽和壓降為 1.50V，最高工作結(jié)溫可高達(dá)175 C。Infi

9、neon /EUPEC第三代 IGBT，采用了溝槽柵及電場終止層 FS 兩種新技術(shù)，帶來了IGBT 芯片厚度大大減薄。傳統(tǒng) 1200V NPT- IGBT 芯片厚度約為 200 m ,IGBT3 后綴為“KE3 勺，厚度為 140 m左右；后綴為 “KT35片厚度進(jìn)一步減薄到120 m左右；600V IGBT3 其芯片厚度僅為 70 m 左右，這樣薄的晶片，加工工藝難度較大。Infineon在超薄晶片加工技術(shù)方面在全球處于領(lǐng)先地位。IGBT3 采用了當(dāng)今 IGBT 的最新技術(shù)溝槽柵+電場終止層， 品，有些電力半導(dǎo)體廠家稱這些技術(shù)為第五代，甚至稱之為第八代 EUPEC稱之為第三代，正如在其型號中

10、的電流標(biāo)稱一樣，總是按圖 1.4 EUPEC 三代 IGBT芯片技術(shù)比照總之，Infineon / EUPEC是目前最優(yōu)異的 IGBT 產(chǎn)IGBT 技術(shù)。Infineon /TC = 80 C來標(biāo)稱，讓eupSEe He-mob蚓蜜愚;rnrIGBT_Gwn_onHighly P-dopedSubstrate WaferzOpbmied Rear Surface Faster swrtch-onLower Sw Ming Loss improved Ruggednessimproved Injection of Electronsb Trench Gate & Reduction of

11、Chip Thrckness wrtn F eld-stopTednnoiogyLower Conduction tossLoer Switch ngLOSSRobust like MPTPaunch Throu jrt廣品來說話，讓用戶來評判。r : jhiateColleCOJ圖 1.6 EUPEC 600V 系列 IGBT 模塊芯片特征參數(shù)Advantages of NPT/FS ChipsEUpECEasy Paralleling of Chips & ModulesPositive temperciture coefficient for /ce sat hence no t

12、hermal run-awayFast SwitchingLow Tail Current (60% less tail charge)Low Switchoff Lass High RuggednessLimiting short-circuit current by chip itselfNPT: (6*8) All tuptc IGBTmodulesuse InfinwnIGST chips, which m NPT m Tr-mh FS chips,A IGBT chips used by eupec module have very dosed distribution of Vce

13、_sat euj.ec does not perform chip selection for paralleling of chiss.Moreover, chips used in one module are all Trom ttie same production lot.No additional eiectranics txiih in lhe chips for limiting s眄rbdrcuil current圖 1.5 NPT/FS IGBT 芯片主要優(yōu)點(diǎn)四、EUPEC IGBT 模塊中 IGBT及續(xù)流二極管芯片特征參數(shù)EUPEC IGBT 模塊全部采用西門子 / In

14、fineon IGBT 芯片，從型號中的后綴來區(qū)分，用戶應(yīng)根據(jù)不同的開關(guān)頻率范圍來選用相應(yīng)的IGBT模塊。EUPEC1、EUPEC 600V 系列 IGBT 模塊芯片特征參數(shù)Chip Technologies for 6DW ModulesL JW L-UW K ijHnll.CLCfi ErtiK13TuhriclogPIRTrIGBT七新5MPIf5nion#ErIWi-M M1 JW1.*13$Swi暗niw，Tr*qurKV ftr -J* MbJ Vh- LHr_Tv meM 5 -C1Tv op marN =崛；JCpanv H|Bk a r UBeupec圖 1.8 EUPEC

15、1700V IGBT模塊芯片特征注：600V DLC KE3!高頻器件，可工作在 20KHz ;2“KE3 最高結(jié)溫可達(dá) 175 C。EUPEC2、EUPEC 1200V IGBT 模塊芯片特征參數(shù)：tT1rJX,Chip Technologies for 1200V ModulespBn itEfiErxua a nd2eupec1洶洶 nchdl 2Gen,DN2/KF4Lw 1域咨域咨 2Gfi-DLC J K_4CShan TJi|KS4rench FS 3GenKE3Trench FS 3OnKT3TfrchnclocyMPT村臥村臥 trL. wIcAJnfi 卬卬 kwnHPTD

16、bMbwG.博才博才 wwir-riGqj&nrjiTrirash 日讓日讓-曜曜午午IraicF-卜卜 14wMlrJ HW 玷心吐玷心吐fnqLScyGBT5*CX3.1七七 F17KI1:i.i9 Jl.c3_0i1 *01函函(BICWIGUIETTCEbnOHi (E 忒忒 W Fant / CML) ECim-HE 甘甘 Ya FosEMm-HEDiode15Xt.eJLTvt(V)125X1.BiJ1TJ 51.&5F一1nquencV1iA kMFi hW. Lh?fl M r叩叩 o 網(wǎng)網(wǎng) DDAMedjLM Wto MAM圖 1.7 EUPEC 1200VI

17、GBT模塊芯片特征參數(shù)注：晶川公司將逐步推廣“ KS 芯片以替代“ DN 芯片，用于逆變電焊機(jī)，UPS,通信電源，開關(guān)電源等開關(guān)頻率大于15KHz 的應(yīng)用領(lǐng)域；2晶川公司已完成在變頻器等開關(guān)頻率fK 10KHz 的應(yīng)用領(lǐng)域，用 “KE3 弋替“DLC 系列;3對于 fK 15KHz 的應(yīng)用場合，我們將逐步推廣EUPEC “KT3系列，來取代 KE3 系列；4后綴為“KF 獄KL4C是指 EUPEC IHM的芯片分類標(biāo)志。3、EUPEC 1700V IGBT 模塊芯片特征：Cnip I eshnolog es tor 1 Modulfis割村割村 1*SALDN2J KF*LQWi Ki,DLC

18、/KF6B2Hg 心心 i y* 5ElhF- atnnic ymMF-:-r-ILL1: r.TT-:.:IGBTarcISan16CCJ cS 1*3 4-EIHCM:tT-.cinin fl*TSX111.13(?CAA5Switchlinai*3 h 褊褊 4岫：岫：3 glhM f kHi-HMM* H P|0Heuppc注：隨著器件耐壓的增高，IGBT 的開關(guān)頻率相應(yīng)下降，推薦表中僅僅是最正確使用頻率 范圍，假設(shè)選擇額定電流大一些的器件，也可在較高頻率中使用；21700V系列，根據(jù)電流不同，可提供“DN2; “DLC/ KF6CB2 ; “KE3 等三種芯片的IGBT 模塊；3“KF4或“KF6CB2 是指 EUPEC 大功率IHM 模塊后綴。 EUPEC4、EUPEC 3300V IGBT 模塊芯片特征：Chip Technologies far 3300V ModulessandaKl r*GarKF2KL2Tenhoio(jyKPT知知* L 門門息息 1叫叫尊尊 FYI* 5