SPT+,新一代低损耗高压IGBT

FSSLONG

SPT+,新一代低损耗高压IGBT

M. Rahimo, U. Schlapbach, A. Kopta, R. Schnell, S. Linder

ABB Switzerland Ltd, Semiconductors

摘要：随着高压软穿通（SPT）IGBT系列的成功引入，本文我们介绍采用最新发展的SPT+技术的下一代高压IGBT。这种IGBT在通态和关断过程中的损耗大大降低，却仍然拥有平滑的开关曲线以及现有高压SPT IGBT所拥有的SOA参数特性。

SPT + , the Next Generation of Low-Loss HV-IGBTs

Abstract:Following the successful introduction of the high voltage Soft-Punch-Through (SPT) IGBT range, we

introduce in this paper our next generation of HV-IGBTs employing the newly developed SPT+ technology. The new IGBTs exhibit significant loss reduction in terms of on-state and turn-off losses while maintaining smooth switching waveforms and the extreme SOA performance characteristic of the wellestablished HV-SPT IGBTs.



1 引言
　　直到最近，沟道概念被认为是大幅提高现有IGBT性能的唯一途径。现在我们首次声明，对于3300V等级的IGBT，可以使用一种结合了更新的元胞设计和现有SPT概念的新技术来大大降低损耗。我们把这种低损耗新技术命名为SPT+。

相对于通态电压，关断损耗的设计很大程度上取决于制造工艺（工艺曲线）。而两者均显著下降则只能依靠进一步的阴极和硅片设计。如图1所示，在Eoff保持较低水平时，新的SPT+ IGBT的VCE（SAT）相对SPT IGBT减少约25%。


图1：新型3300V/1200A SPT+ IGBT HiPak

技术特征

SPT+ IGBT的功耗的折衷表现和使用沟道技术取得的成果相当。然而，结合以前发表的平面技术，新的平面结构能够将耐用度维持到高水平。本文叙述了SPT+ IGBT不仅具有较小的通态和开关损耗，还具有高水平的短路电流耐量和世界级的关断电流承受能力。SPT结构还具有良好的关断控制能力和软关断波形。如图2所示，我们比较了3300V SPT+ IGBT高绝缘模块和IGBT HiPak 3300V/1200A标准模块的设计和特征参数。这种在功耗和SOA能力方面的优势将为系统设计人员在保持现有高压SPT承受力的同时带来更简单的冷却方式和更高的效率。


图2：3300V SPT+ IGBT 技术的HiPak标准模块（左）和高绝缘模块（右）



２SPT+ IGBT芯片技术

　　新一代的3300V SPT+ IGBT芯片通过特殊设计，在显著减少通态损耗的同时而仍维持低水平的开关损耗。然而这种进步必须是折衷考虑了功耗，高水平的动态SOA能力，为减少失效的抗宇宙射线能力以及平滑的开关能力等各方面。SPT+技术通过元胞优化采用更新的载流子分布技术与先进的极其可靠的平面元胞设计相匹配。而且，一种最新优化过的所谓SPT 缓冲区概念使我们能减薄n基区厚度而不会影响其他电学参数。它的一个主要特性就是在关断瞬间能使集电极电流平缓减小，即所谓SPT 中的‘软’过程。由于更好的元胞设计和更薄的硅片，3300V SPT+ IGBT在现有工艺水平下达到了新的特性水平。新的SPT缓冲区结合了优化阳极设计，大大加强了短路控制能力从而有了一个高水准的短路安全工作区（SCSOA）。



３3300V 1200A SPT+ IGBT Hipak模块电特性

采用最新的低功耗SPT+ IGBT芯片的3300V/1200A HiPak模块的静态和动态特性都有提高，具体如下：




a)静态特性

为考察这种新技术IGBT 的一般特性，图3为3300V/1200A模块在125℃下在不同门极电流下的输出特征曲线。新SPT+ 更好的元胞设计结合基区减薄比现有SPT结构通态损耗减少了约25%。我们认为一个典型的3300V/1200A模块在额定电流下的通态电压在25℃时为2.2V，在125℃时则为2.7V。这个数值是在芯片级的电流密度为50A/cm2的情况下获得的。图4为模块级的通态特性曲线。除了极低的通态损耗，曲线显示即使在低电流水平下也具有很强的正温度系数。这种特性对于模块这种并联方式运行的芯片非常重要，尤其是在像HiPak系列范围内的大电流情况下，它可以避免并联器件间的误匹配。SPT+ HiPak模块中的续流二极管也保持了低通态电压和微弱的正温度系数，在额定电流下在25℃时为2.3V，在125℃时则为2.35V。



图3：3300V/1200A SPT+ IGBT HiPak 125℃时 输出特性曲线


图4：3300V/1200A SPT+ IGBT HiPak 25℃和125℃时的通态特性曲线




b) 开关特性

图5为3300V/1200A SPT+ IGBT HiPak模块在额定条件下的关断波形。额定条件为125℃下，电流为1200A，直联电压为1800V。


图5：3300V/1200A SPT+ IGBT HiPak 125℃时的关断波形

Vcc=1800V Ic=1200A Vge=15V Rg=1.5Ω Ls=100nH

在图5中电流在关断瞬间保持平滑的曲线，电流拖尾很短，没有突然关断效应。这归功于SPT缓冲区和优化的硅片参数。因为不需要抽取太多的过量载流子，电流拖尾就短，关断损耗Eoff能够保持在2.25J的低水平。完美的平衡导致了低损耗下很快的关断速度，短电流拖尾，低的过冲电压和低EMI水平。

图6为额定条件下的开通波形。由于3300V二极管的优化设计和为使VCE更快减小而设计的低输入电容，IGBT和二极管有低的开通损耗Eon。典型的开通损耗在额定条件下为1.7J。即125℃下，di/dt为6000A/μs,门极电阻1.5Ω。图7和图8为关断损耗和开通损耗分别作为集电极电流和门极电阻的函数的曲线。


图6：3300V/1200A SPT+ IGBT HiPak 125℃时的开通波形

Vcc=1800V Ic=1200A Vge=15V Rg=1.5Ω Ls=100nH

图7：3300V SPT+ IGBT HiPak Eon 和Eoff  vs Ic 损耗曲线


图8：3300V SPT+ IGBT HiPak Eon 和Eoff  vs Rg 损耗曲线



为了确认新模块的开关能力，在125℃下，将杂散电感加到270nH，直流电压也加到2000V，在额定电流下进行了关断实验。即使在这样的条件下，关断电流也没有产生震荡，只是在电流拖尾脉冲时随着电流减小电压增加了一点，如图9所示。


图9：3300V/1200A SPT+ IGBT HiPak 125℃时的关断波形

Vcc=2000V Ic=120A Vge=15V Rg=1.5Ω Ls=270nH




c) SOA能力

为了证实这种新型3300V SPT+ IGBT 技术的SOA能力，模块在电流，电压和杂散电感各方面的极端情况下做了大范围的开关测试。这些实验的目的是为表明SPT+ IGBT仍然具有当前高压SPT技术所具有的世界级的性能。实验中没有箝位器和缓冲器。

首先我们需要确认一个单独的50A IGBT 芯片具有如图10所示的极高的关断电流能力和SSCM。器件在125℃，直流电压为2700V时能够关断360A，即大于7倍的额定电流。


图10：带有‘SSCM’3300V/1200A SPT+ IGBT HiPak 125℃时的关断SOA波形

Vcc=2700V Ic=360A Vge=18V Rg=33Ω Ls=2.4uH



图11和图12分别为3300V/1200A SPT+ IGBT HiPak模块在关断和开通过程中的（RBSOA）开关特性曲线。模块的测试条件为125℃，电流为4000A，直流电压为2500V。可以看到关断过程中超调电压的峰值达到3250V。

一个极其耐用IGBT的主要优点是它应该具有比传统技术要求更小的驱动器件的门极电阻值（RGoff）。这可以减少关断过程中延迟时间，从而不仅减低关断损耗，而且改善模块中各个分立IGBT 芯片间的分流。IGBT和二极管的耐用度也可以在开通时表现，开通波形显示di/dt电流坡度达到9000A/μs，峰值电流为6000A。


图11：3300V/1200A SPT+ IGBT HiPak 125℃时的关断SOA波形

Vcc=2500V Ic=4000A Vge=15V Rg=1.5Ω Ls=100nH


图12：3300V/1200A SPT+ IGBT HiPak 125℃时的开通SOA波形

Vcc=2500V Ic=4000A Vge=15V Rg=1.5Ω Ls=100nH



为了了解SPT+ IGBT HiPak模块的开关自箝位模式（SSCM）能力又做了更多实验。125℃下直流电压为2600V时，在杂散电感比标准的270nH高的情况下，使用四倍的额定电流对3300V/1200A模块进行测试。图13显示模块能够轻松承受这些条件。最大功率消耗为13MW时，整个关断过程消耗能量22J。SSCM成功运行，箝位电压3400V。器件保持在SSCM状态的时间大约为1微秒。为使IGBT模块能够承受SSCM，器件需要达到自箝位电压的矩形SOA能力。图14即为矩形SOA I/V曲线。强大的动态承受能力和平滑的开关能力给了系统设计者最大的自由度，不需要再在系统中加入缓冲器和箝位器之类的dv/dt或是峰值电压限制器件。


图13：带有‘SSCM’3300V/1200A SPT+ IGBT HiPak 125℃时的关断SOA波形

Vcc=2600V Ic=4800A Vge=15V Rg=1.5Ω Ls=270nH




d) 短路电流能力

图15和图16显示了新型的SPT+ IGBT分别在25℃和125℃下的强的短路电流能力。波形显示直流电压为2500V，电流脉冲10μs时3300V/1200A HiPak模块在短路电流模式下的情况。


图14：3300V/1200A SPT+ IGBT HiPak I/V 矩形RBSOA曲线



得到的可控的平滑的电流波形说明没有寄生震荡，这要归功于优化的IGBT芯片和模块内部布局。电流波形显示合理的平均短路电流在25℃大约为8000A，125℃时为7000A。3300V SPT+ IGBT所用的SPT缓冲区和阴极设计经过优化以获得高水准的短路SOA能力，甚至在门极驱动电压大于标准的15V时也能承受短路电流。


图15：3300V/1200A SPT+ IGBT HiPak 25℃时的SCSOA波形

Vcc=2500V Ic=8000A Vge=15V Rg=1.5Ω Ls=100nH


图16：3300V/1200A SPT+ IGBT HiPak 125℃时的SCSOA波形

Vcc=2500V Ic=7000A Vge=15V Rg=1.5Ω Ls=100nH




４ 3300V/1200A SPT+ IGBT HIPAK模块频率特性表

图17是新型SPT+ 3.3kV IGBT HiPak模块对比现有高压SPT技术在125℃下的变换器输出电流和开关频率的关系曲线。


图17：3300V/1200A 模块转换器输出电流vs频率



SPT+曲线显示在所有开关频率范围内输出电流能力都有明显的增长。在典型的风冷装置应用中，除了使用SPT+技术外对变换器设计不作任何改动，在开关频率范围在250Hz到1000Hz间输出电流可以增加10%~20%。


５结论

相对现有的最顶极3300V SPT IGBT，新型ABB SPT+ IGBT在保持低关断损耗的同时开通损耗要减少约25%。这就为3300V IGBT设立了新的标准。HV- SPT+和现有HV- SPT具有同样的开关和短路条件下的耐用度，同样低的EMI水平。以3.3kV  IGBT HiPak模块以封装形式存在的新一代器件的电学参数表明：平面技术在保持SOA方面优越性的同时具有可媲美沟道技术的功率损耗。

该技术在发布前还要经过一些优化，做出一些改进。部分电压等级的产品将在2006年上市。

６　参考文献

libsuo

多谢楼主，又了解了一点

zengyqsky

顶楼主，好东西

nicole2085

介绍的蛮详细的，谢谢楼主。:lol

simovert

感谢楼主分享，顶一下！

sccd

谢楼主 又了解了这方面的东西

tutj2000cn

图呢?在哪?

gwgzk900

谢谢楼主分享，学习到新的知识

zhangae

图片都没传上来...........

zxz213

感谢分享。
IGBT应用中最重要的问题，是可靠性问题。