SPT芯片結(jié)構(gòu)高壓IGBT模塊在SOA上的新基準(zhǔn)

SPT芯片結(jié)構(gòu)的HiPak?高壓IGBT模^在SOA上的新基準(zhǔn)M.Rahimo,A.Kopta,E.Carroll

ABBSwitzerlandLtd,Semiconductors,Fabrikstrasse3,CH-5600Lenzburg,Switzerland摘要：本文中，出現(xiàn)了新的高壓HiPak?IGBT模塊系列(電壓額定值從2.5kV到6.5kV)。我們證實(shí)了這些HiPak?模塊，應(yīng)用了ABB最新研制的HVSPTIGBT和二極管技術(shù)，使得其SOA第一次達(dá)到破紀(jì)錄的最高。新元件整體的電特性都很優(yōu)異，可以承受關(guān)斷和短路這樣極端的工作條件。因此，對于給定的電壓等級，我們制定了其在SOA工作能力的最新基準(zhǔn)。HiPak?highvoltageIGBTmoduleswithSPTchips

settingnewstandardsinSOAperformanceAbstract:/〃thisarticle,thenewhighvoltageHiPakTMGBTmodulefamilywithvoltageratingsrangingfrom2.5kVto6.5kV,ispresented.Forthefirsttime,therecord-breakingSOA(SafeOperatingArea)oftheseHiPak?modulesusingABB'snewlydevelopedHVSPTIGBTsanddiodesisdemonstrated.Thenewdeviceshaveexcellentoverallelectricalcharacteristicsandarecapableofwithstandingextremeconditionsduringturn-offandshortcircuitoperationtherebysettingnewstandardsinSOAcapabilityforagivenvoltageclass.1引言IGBT和二極管的發(fā)展趨勢是SOA的范圍越來越寬。原因是許多應(yīng)用中，元件在硬開關(guān)條件下工作。如：牽弓|、工業(yè)驅(qū)動和高壓直流輸電HVDC）。與低壓和中壓元件（額定值低于2000V）相比，以前的高壓元件的SOA能力較低。這是因?yàn)樵Y(jié)構(gòu)上的物理限制和它承受了更苛刻的工作條件所致（主要是在更高的直流環(huán)節(jié)電壓方面）；并且，要折衷考慮損耗和SOA能力，進(jìn)一步限制了高壓元件的設(shè)計(jì)。為確保高壓元件不會超過其SOA的限制，元件制造商和系統(tǒng)設(shè)計(jì)者不得不考慮許多工作條件的限制，例如大的門極電阻或電壓箝位。這一點(diǎn)需要根據(jù)大功率電子系統(tǒng)的性能、尺寸和成本，來增加（用于保護(hù)、控制和減少額定值）元件數(shù)，這只是一種次優(yōu)的設(shè)計(jì)。圖1為HVIGBT模塊電流HiPakTN系列的兩種標(biāo)準(zhǔn)的外形圖。圖1：2500V-6500VSPTIGBT和二極管技術(shù)的最新HiPak?工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝圖我們將在后面證明，這種產(chǎn)品體系建立了高可靠應(yīng)用方面（如牽引）耐用的新基準(zhǔn)。耐用性說明了其有更高的安全工作區(qū)和在關(guān)斷時(shí)低的門極驅(qū)動電阻。反過來，允許更低的關(guān)斷損耗。利用SPT（軟穿通）芯片技術(shù)，它的開關(guān)過程更平滑，使得用戶設(shè)計(jì)使用時(shí)更加自由，不必過分考慮在關(guān)斷時(shí)的dv/dt或尖峰電壓限制。本文中首次解決了這一難題。對高壓SPT-IGBT來說，不僅存在臨界的，從前不能證實(shí)的動態(tài)雪崩階段，而且也存在與之相隨的靜態(tài)雪崩。以前，這種情況只出現(xiàn)在低壓MOSFETs元件中。如圖2所示，這些新的模塊擴(kuò)展7SOA限制，是大功率高壓變換器的設(shè)計(jì)者們期盼已久的，可以方便使用的新元件。圖2：擴(kuò)展了SOA限制的HV-IGBTs和二極管新模塊的SOA能力如圖中灰色區(qū)域，對用戶來說，與傳統(tǒng)可用的模塊相比，有雙重的優(yōu)點(diǎn)：首先，系統(tǒng)可以有更大的安全工作區(qū)。其次，如圖中所示的綠色的SOA，提供了新的范圍更大的參數(shù)限定。2高壓芯片組技術(shù)為了使IGBT和二極管達(dá)到很好的靜態(tài)和動態(tài)特性，最新的IGBT和二極管技術(shù)采用了軟穿通的概念。這種方法與從前的技術(shù)相比，大大的減少了整體元件的損耗。增加了一個(gè)深的、低摻雜的SPT緩沖層，使元件與NPT結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，總厚度減薄了20%。SPT緩沖層能確保像這樣的元件維持軟關(guān)斷的特性。當(dāng)芯片使用在如HiPak?的大電流模塊中，，這是必須的。大功率、高電壓電路不可避免的有很大的寄生電感，它將在元件關(guān)斷的時(shí)候引起電壓尖峰和大的振蕩，并誘發(fā)電磁干擾(EMI)。SPT除了這些明顯的優(yōu)點(diǎn)外，還表明SPT技術(shù)可以使IGBT和二極管的SOA均有大的增加°HV-IGBTT設(shè)計(jì)平臺利用一個(gè)先進(jìn)的、極為可靠的平面單元設(shè)計(jì)，防止了閂鎖效應(yīng)，使SOA增加。SPTIGBT的輸入電容設(shè)計(jì)可以提供對開通di/dta好的控制，di/dt是門極電阻的函數(shù)，在門極-發(fā)射極端不需要額外的電容。這一點(diǎn)使IGBT的通態(tài)電壓延遲更短，其開通損耗大大的降低。.IGBT芯片與高壓快速和軟恢復(fù)SPT二極管一起使用，共同構(gòu)成有很大優(yōu)勢的SPT-IGBTso高壓二極管有一個(gè)高摻雜的P+陽極，與低濃度P型陽極二極管相比，SOA特性更好，更加耐用。這是因?yàn)槎O管在反向恢復(fù)期間，在極端的動態(tài)雪崩條件下減少了穿通效應(yīng)。高摻雜的P+二極管反向恢復(fù)時(shí)減少了陽極周邊的強(qiáng)電場和電流密度，使pn結(jié)更耐用。為了控制恢復(fù)過程和達(dá)到高的SOA，通過局部與整體的載流子壽命控制相結(jié)合的方法，適當(dāng)?shù)姆植剂穗娮?空穴等離子濃度。最終，在大的電流模塊中，并聯(lián)芯片的均流很好，在通態(tài)電壓下降時(shí)保證了【GBT和二極管的正的溫度系數(shù)。3HiPak?模塊產(chǎn)品系列HiPak?模塊是高壓IGBT，封裝為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝，尺寸為190X140mm。最初時(shí)ABB提供了使用鋁硅碳化物(AlSiC)作為基板材料的元件，其有優(yōu)良的熱循環(huán)能力，適應(yīng)于牽引應(yīng)用。并使用鋁氮化物(AlN)作為絕緣材料，使其熱阻降低。后來，最新考慮計(jì)劃銅作為元件的基板，氧化鋁(Al2O3)作為基片。提供了兩種封裝型式，一種的絕緣電壓為6kVRMS，另一種絕緣電壓為10.2kVRMSo為了應(yīng)用在牽引這樣的場合，且有高的可靠性，我們優(yōu)化了HiPak?SPT芯片，以適應(yīng)于惡劣的外部環(huán)境。通過平滑的開關(guān)特性，元件的工作很可靠。在大功率電子系統(tǒng)(PES)中，在高電感這樣的環(huán)境下，可靠性是基本的要求。我們采用專門的內(nèi)部連線和布線，用來減少振蕩或芯片之間電流的不均衡。最后，這樣的設(shè)計(jì)通過高溫反向偏置(HTRB)、高溫門極偏置(HTGB)、溫度濕度試驗(yàn)(THB溫度85°C/相對濕度85%)、有源功率循環(huán)(APC)和溫度循環(huán)(TC)這些標(biāo)準(zhǔn)的可靠性試驗(yàn)來得以證實(shí)。HiPak?電特性我們進(jìn)一步測試了模塊，內(nèi)容是它們的靜態(tài)、動態(tài)特性和SOA，下面選取了其動態(tài)結(jié)果。對140X190mm的單開關(guān)IGBT的模塊，表(1)中總結(jié)了其在額定條件下的典型特性。圖3顯示了，在兩倍額定電流(2400A)，高壓直流電下，3300V/1200AHiPakTM(5SNA1200E330100)的IGBT的平滑的軟關(guān)斷波形。圖4顯示在相似的條件下的二極管的相對應(yīng)的關(guān)斷曲線。我們注意到，在兩種情況下，電流平滑的、沒有變化的達(dá)到零值。這一點(diǎn)，在圖5和圖6中，分別為2.5kV和6.5kV的模塊，關(guān)斷條件也為高壓直流電下，兩倍額定電流，我們可以看到同樣平滑的關(guān)斷。。在試驗(yàn)中，沒有有源箝位或吸收電路。耐用的SPTIGBT有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是門極電阻很低。因此其在關(guān)斷時(shí)損耗更低，延遲時(shí)間更短。而傳統(tǒng)的HVIGBT要在額定的電流下安全的關(guān)斷，必須有一個(gè)相當(dāng)大的門極電阻。新的6.5kV/600AHiPakTM模塊充分利用了這一特點(diǎn)，因此SPTIGBT6.5kV模塊是第一種可以像低壓元件一樣工作，即沒有dv/dt或峰值電壓的限制，而且工作在完整的SOA區(qū)。HiPakTM的SOA特性新基準(zhǔn)正如前面所提到的，在感性環(huán)境(大的雜散電感)下，不僅應(yīng)具有內(nèi)在的平滑的開關(guān)特性，工作也要可靠，而且，具有吸收產(chǎn)生的存儲能量的能力也很重要。如果不可能滿足上述要求，則或者降低設(shè)備的額定值，或需采用專門的門極單元和結(jié)構(gòu)，但這兩種方法的成本都很高。圖7顯示為在超過4倍額定電流，高直流環(huán)節(jié)電壓條件下，既沒有有源箝位，也沒有吸收電路的，型號為5SNA1200E330100的3300V模塊的關(guān)斷特性。表⑴電壓電流類型編號V-ce一125°CVF?125°CEoff125°CE_on一125°CVdc2500V1200A單只5SNA1200E2501003.1V1.8V1.25J1.1J1250V3300V1200A單只5SNA1200E3301003.8V2.35V1.9J2.0J1800V6500V600A單只5SNA0600G6501004.7V4.0V3.5J4.0J3600V

圖3：3300V/1200AHiPakTMIGBT關(guān)斷時(shí)的RBSOA(VCC=2500V,IC=2400A)RGoff=1.5ohm,L圖3：3300V/1200AHiPakTMIGBT關(guān)斷時(shí)的RBSOA(VCC=2500V,IC=2400A)RGoff=1.5ohm,LS=170nH,T=125°C,無箝位圖4：3300V/1200AHiPakTM二極管在反向恢復(fù)時(shí)的RBSOA(VCC=2500V,IC=2400A)Rg圖4：3300V/1200AHiPakTM二極管在反向恢復(fù)時(shí)的RBSOA(VCC=2500V,IC=2400A)Rg=0.27ohm,LS=170nH,T.=125°C圖7：3300V/1200AHiPakTMIGBT關(guān)斷時(shí)的RBSOA

(VCC=2600V,IC=5000A)RGoff=L5ohm,LS=280nH,T=125°C，無箝位隨著一開始集電極電壓快速上升,dv/dt隨之減小，表示動態(tài)雪崩(對沒有吸收電路的關(guān)斷元件是一個(gè)重要條件)也隨后發(fā)生，電壓再次迅速上升。最終，電壓被限制在4kV的靜態(tài)雪崩電壓。集電極電流沒有突變或振蕩，平穩(wěn)的降到零。在電壓波形中，有一小的振蕩，發(fā)生在元件的電壓遠(yuǎn)離靜態(tài)雪崩電壓時(shí)，振蕩回至直流環(huán)節(jié)電壓的水平，引起發(fā)生在雜散電感和元件的結(jié)電容之間的諧振。關(guān)斷時(shí)，耗散了14MW的峰值能量。圖8顯示了3.3kV的模塊，在40°C的低溫下良好的短路安全工作區(qū)(SCSOA)o圖5：2500V/1200AHiPakTMIGBT關(guān)斷時(shí)的RBSOA

(VCC=1800V,IC=2400A)Rgff=1.5ohm,LS=110nH,T=125°C,無箝位

圖8:3300V/1200AHiP