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新IGBT技術(shù)提高應(yīng)用性能
日期：2024-11-26 13:16
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摘要：
在日益增長(zhǎng)的變頻器市場(chǎng)，許多廠商提供性能和尺寸各異的變換器類型。這正是以低損耗和高開(kāi)關(guān)頻率而著稱的新IGBT技術(shù)施展的舞臺(tái)。在62毫米(當(dāng)前模塊的標(biāo)準(zhǔn)尺寸)模塊中使用新IGBT技術(shù)使用戶可以因不必改變其機(jī)械設(shè)計(jì)概念而獲益。
基于平臺(tái)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)62毫米SEMITRANS®模塊，由于針對(duì)IGBT和二極管采用了不同的半導(dǎo)體技術(shù)，因此適合于多種應(yīng)用場(chǎng)合。采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸模塊外殼這一事實(shí)意味著用戶有更多可供選擇的供應(yīng)商。新1200V系列模塊為我們展示了外殼和半導(dǎo)體之間的匹配是多么的**，該系列產(chǎn)品基于英飛凌的IGBT4技術(shù)和賽米控穩(wěn)健可靠的新CAL4二極管。
1. 半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)中的IGBT和二極管
在電力電子里半導(dǎo)體器件IGBT和二極管僅作為開(kāi)關(guān)。
“理想的開(kāi)關(guān)”必須滿足以下條件：
通態(tài)壓降Vd = 0，與當(dāng)前導(dǎo)通電流無(wú)關(guān)
反向電流Ir = 0，直到*大允許反向電壓
開(kāi)關(guān)損耗Psw = 0，與當(dāng)前被切換的電流和直流母線電壓無(wú)關(guān)
熱阻Rth無(wú)足輕重，因?yàn)闆](méi)有損耗產(chǎn)生
然而，在實(shí)際的開(kāi)關(guān)中，存在大量的正向和開(kāi)關(guān)損耗。因而設(shè)計(jì)中的熱阻對(duì)模塊性能來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。本文討論IGBT²、IGBT³以及SEMITRANS®模塊采用的新IGBT4 半導(dǎo)體技術(shù)之間的區(qū)別，并展示在某些情況下新IGBT4技術(shù)所帶來(lái)的性能提升。
2. 芯片技術(shù)的進(jìn)展
IGBT4基本上是基于已知的IGBT³溝槽柵結(jié)構(gòu)并結(jié)合經(jīng)優(yōu)化的包含n—襯底、n-場(chǎng)截止層和后端發(fā)射極的縱向結(jié)構(gòu)。與第三代IGBT相比，這將使總損耗更低，開(kāi)關(guān)行為更為輕柔，同時(shí)芯片的面積也更小。此外，p/n結(jié)的*高結(jié)溫Tjmax從150°C升高至175°C。這將在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)載情況下建立一個(gè)新的**裕度。IGBT4系列產(chǎn)品的特點(diǎn)是有一個(gè)為高、中、低功率應(yīng)用而優(yōu)化的縱向結(jié)構(gòu)；開(kāi)關(guān)性能和損耗適用于給定的功率等級(jí)。這里所展示的結(jié)果集中在中等功率范圍(50A-600A)的應(yīng)用，采用的是低電感模塊，開(kāi)關(guān)速率在4-12kHz之間(這相當(dāng)于IGBT4L)。
當(dāng)在更高電流密度情況下使用新一代IGBT，具有高電流密度的續(xù)流二極管也是需要的，尤其是對(duì)那些具有*大芯片封裝密度的模塊?；谶@個(gè)原因，在現(xiàn)有CAL(可控軸向長(zhǎng)壽命)二極管技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了新的CAL4續(xù)流二極管，其特點(diǎn)在于對(duì)任何電流密度的軟開(kāi)關(guān)性能，耐用度(高di/dt)以及低反向恢復(fù)峰值電流和關(guān)斷損耗。CAL4 FWD的基本結(jié)構(gòu)只是背面帶有n/n+結(jié)構(gòu)的薄n---襯底(圖1b)。為了減少產(chǎn)生的損耗，n緩沖層被優(yōu)化，采用較薄n+晶圓，活動(dòng)表面積增大(即小邊結(jié)構(gòu))，縱向載流子壽命被優(yōu)化。因此，新的，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的CAL4二極管是很出色，除了電流密度提高了30%，其正向電壓更低及切換損耗也與上一代相類似(CAL3，Tjop =常數(shù))。為增加p/n結(jié)的*高結(jié)溫至175°C，使用了新的邊緣端鈍化. 受益于上述的優(yōu)化工作，CAL4 FWD是第四代IGBT應(yīng)用的**匹配
基于平臺(tái)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)62毫米SEMITRANS®模塊，由于針對(duì)IGBT和二極管采用了不同的半導(dǎo)體技術(shù)，因此適合于多種應(yīng)用場(chǎng)合。采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸模塊外殼這一事實(shí)意味著用戶有更多可供選擇的供應(yīng)商。新1200V系列模塊為我們展示了外殼和半導(dǎo)體之間的匹配是多么的**，該系列產(chǎn)品基于英飛凌的IGBT4技術(shù)和賽米控穩(wěn)健可靠的新CAL4二極管。
1. 半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)中的IGBT和二極管
在電力電子里半導(dǎo)體器件IGBT和二極管僅作為開(kāi)關(guān)。
“理想的開(kāi)關(guān)”必須滿足以下條件：
通態(tài)壓降Vd = 0，與當(dāng)前導(dǎo)通電流無(wú)關(guān)
反向電流Ir = 0，直到*大允許反向電壓
開(kāi)關(guān)損耗Psw = 0，與當(dāng)前被切換的電流和直流母線電壓無(wú)關(guān)
熱阻Rth無(wú)足輕重，因?yàn)闆](méi)有損耗產(chǎn)生
然而，在實(shí)際的開(kāi)關(guān)中，存在大量的正向和開(kāi)關(guān)損耗。因而設(shè)計(jì)中的熱阻對(duì)模塊性能來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。本文討論IGBT²、IGBT³以及SEMITRANS®模塊采用的新IGBT4 半導(dǎo)體技術(shù)之間的區(qū)別，并展示在某些情況下新IGBT4技術(shù)所帶來(lái)的性能提升。
2. 芯片技術(shù)的進(jìn)展
IGBT4基本上是基于已知的IGBT³溝槽柵結(jié)構(gòu)并結(jié)合經(jīng)優(yōu)化的包含n—襯底、n-場(chǎng)截止層和后端發(fā)射極的縱向結(jié)構(gòu)。與第三代IGBT相比，這將使總損耗更低，開(kāi)關(guān)行為更為輕柔，同時(shí)芯片的面積也更小。此外，p/n結(jié)的*高結(jié)溫Tjmax從150°C升高至175°C。這將在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)載情況下建立一個(gè)新的**裕度。IGBT4系列產(chǎn)品的特點(diǎn)是有一個(gè)為高、中、低功率應(yīng)用而優(yōu)化的縱向結(jié)構(gòu)；開(kāi)關(guān)性能和損耗適用于給定的功率等級(jí)。這里所展示的結(jié)果集中在中等功率范圍(50A-600A)的應(yīng)用，采用的是低電感模塊，開(kāi)關(guān)速率在4-12kHz之間(這相當(dāng)于IGBT4L)。
當(dāng)在更高電流密度情況下使用新一代IGBT，具有高電流密度的續(xù)流二極管也是需要的，尤其是對(duì)那些具有*大芯片封裝密度的模塊?；谶@個(gè)原因，在現(xiàn)有CAL(可控軸向長(zhǎng)壽命)二極管技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了新的CAL4續(xù)流二極管，其特點(diǎn)在于對(duì)任何電流密度的軟開(kāi)關(guān)性能，耐用度(高di/dt)以及低反向恢復(fù)峰值電流和關(guān)斷損耗。CAL4 FWD的基本結(jié)構(gòu)只是背面帶有n/n+結(jié)構(gòu)的薄n---襯底(圖1b)。為了減少產(chǎn)生的損耗，n緩沖層被優(yōu)化，采用較薄n+晶圓，活動(dòng)表面積增大(即小邊結(jié)構(gòu))，縱向載流子壽命被優(yōu)化。因此，新的，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的CAL4二極管是很出色，除了電流密度提高了30%，其正向電壓更低及切換損耗也與上一代相類似(CAL3，Tjop =常數(shù))。為增加p/n結(jié)的*高結(jié)溫至175°C，使用了新的邊緣端鈍化. 受益于上述的優(yōu)化工作，CAL4 FWD是第四代IGBT應(yīng)用的**匹配