摘要：本文介紹了Infineon公司專為Inom>300A中大電流應(yīng)用設(shè)計(jì)的最新的650V IGBT4,。與600V IGBT3相比,，該器件在關(guān)斷時(shí)具有更好的軟度和更高的阻斷電壓能力。實(shí)現(xiàn)上述特性的主要措施在于增加了芯片的厚度,，減小了MOS溝道的寬度,，提高了背面的發(fā)射效率。相應(yīng)地,，器件的短路魯棒性也有了顯著的改進(jìn),。

1引言

　　2003年，英飛凌公司提出了使用溝槽和場(chǎng)截止技術(shù)的600V IGBT3器件^[1],，該產(chǎn)品目前仍然是IGBT器件特性的標(biāo)準(zhǔn),。然而,，這種600V IGBT3 主要適合小功率應(yīng)用或者雜散電感很低的大功率應(yīng)用,。在器件開啟及關(guān)斷時(shí)，雜散電感與電流變化量的結(jié)合影響著器件的電壓特性,，可以表示為V=L·dI/dt,。因此，如果器件關(guān)斷時(shí)電感Lσ較大,，過(guò)壓就會(huì)很高,。當(dāng)前，為了給不同電路的大電流應(yīng)用提供更多的選擇,，一種全新的芯片——650V IGBT4 已設(shè)計(jì)完成,。

2 650V IGBT4的設(shè)計(jì)及技術(shù)

　　與600V IGBT3一樣，新的650V IGBT4也是采用了溝槽的MOS-top-cell薄片技術(shù)和場(chǎng)截止的概念（如圖1 所示）,，但與600V IGBT3相比,，芯片厚度增加了大約15%,，并且MOS溝道寬度減小了大約20%（圖1中的紅色部分），因此通過(guò)減小電磁干擾改善了關(guān)斷時(shí)的軟度,，同時(shí)獲得了更高的阻斷電壓能力,。溝槽和場(chǎng)截止的結(jié)合使通態(tài)損耗和關(guān)斷損耗仍相對(duì)較低。當(dāng)然,，上述措施自然也會(huì)引起附加的損耗,。為了補(bǔ)償相應(yīng)的影響，背面發(fā)射極的效率增加了50%,。 結(jié)果,，650V IGBT4器件關(guān)斷時(shí)軟度得以改善，即正向過(guò)沖電壓降低,，關(guān)斷電流變化率dI/dt減?。煌瑫r(shí)阻斷電壓增加到650V,。另一方面,，正向電壓仍然較低，開關(guān)損耗只有適度的增加,。

圖1 新型650V IGBT4橫向剖面圖

　　與600V IGBT3相比的改進(jìn)在圖中已示出：增加了芯片厚度（y）,，減小了溝道寬度（z），增加了背面P發(fā)射極效率,。

3 650V IGBT4的特性

3.1靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)

　　相比于600V IGBT3,，新型650V IGBT4器件的飽和電壓V_CE，sat有輕微的增加（~100mV）,，同時(shí)E_off也有增加,，主要原因在于器件具有更軟的開關(guān)行為。如圖2和圖3所示,，軟度的改進(jìn)是顯而易見(jiàn)的,。

　　圖 2 在25℃，600Ａ電流關(guān)斷時(shí),， 600V IGBT3 (ａ)和新型650V IGBT4 (ｂ)在關(guān)斷時(shí)的軟度比較(在EconoDUALTM3模塊上測(cè)量),。圖中示出了電壓V_CE　(黑色曲線)、集電極電流IC（紅色曲線）及柵極－發(fā)射極電壓V_GE（綠色曲線）的變化情況,，對(duì)于IGBT3,，在200V的直流電壓下，已經(jīng)有震蕩發(fā)生,；而新型650V IGBT4即使在300V直流電壓下仍表現(xiàn)為軟的開關(guān)特性,。

　　圖2 中對(duì)EconoDUALTM3的開關(guān)過(guò)程進(jìn)行了比較。這種特殊的高電流電路對(duì)600V IGBT3并不太合適。因此,，在25℃,、200V的直流電壓下，對(duì)600Ａ電流關(guān)斷時(shí),， 600V IGBT3會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的過(guò)沖電壓V_CE,max和階躍震蕩,。相反，特別為這種高電流應(yīng)用相對(duì)應(yīng)的模塊類型設(shè)計(jì)的650V IGBT4,，即使直流電壓加到300V,，仍然顯示出平滑的關(guān)斷特性和很低的過(guò)沖電壓V_CE,max。

　　從圖3可見(jiàn),，通過(guò)比較軟度參數(shù)V_CE,max和電流變化率dI/dt,，兩種器件開關(guān)特性的差異也是很明顯的。我們?cè)?5℃的溫度下,，將器件安裝在DBC表面,，對(duì)600V IGBT3進(jìn)行了的測(cè)試；對(duì)新型650V IGBT4,，則進(jìn)行了幾種不同變體的測(cè)試,，包括最終的目標(biāo)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)600V IGBT3和新型650V IGBT4最終變體的測(cè)量結(jié)果比較,，我們可以看出650 IGBT4與600V IGBT3相比,，最大過(guò)沖電壓V_CE,max減小了大約40V，同時(shí)關(guān)斷電流變化率dI/dt下降了20%,。

圖3 器件關(guān)斷時(shí)軟度參數(shù)的對(duì)比結(jié)果

　　包括電流變化率dI/dt和最大過(guò)沖電壓V_CE,max,，器件則包括600V IGBT3和新型650V IGBT4（紅色菱形）及其不同變體（小的紅色三角形）。所有的數(shù)據(jù)均為在25℃,、在DBC表面,、同樣的條件下測(cè)試。對(duì)于新型650V IGBT4的最終變體,，最大過(guò)沖電壓V_CE,max比600 IGBT3減小了大約40V,，關(guān)斷電流變化率dI/dt下降了20%。

　　另一方面,，在關(guān)斷時(shí)更軟的開關(guān)行為必須付出更高的損耗,。但是考慮到常規(guī)的開關(guān)頻率,，這種損耗增加無(wú)關(guān)緊要,。該事實(shí)可以在圖4明顯看出：圖4是IPOSIM的模擬結(jié)果。IPOSIM,，是Infineon公司設(shè)計(jì)的一種功率仿真程序,，可以在Infineon 網(wǎng)站（www.Infineon.com）找到。它可以完成針對(duì)所有組件的開關(guān)和導(dǎo)通損耗的計(jì)算，不但考慮通態(tài)和開關(guān)損失,，同時(shí)也考慮熱額定值,。從圖4 可以看出，由于650V IGBT4的損耗增大引起的模塊電流有效值的減小是很少的,，在12kHz以下處于3%到7%的范圍之內(nèi),。而12kHz以下是常規(guī)應(yīng)用典型的開關(guān)頻率范圍。

　　圖 4 在600A EconoDUALTM3 的模塊中,，電流有效值隨開關(guān)頻率變化的計(jì)算結(jié)果：600V IGBT3（黑色線條）,、650V IGBT4（紅色線條），模擬條件Rth(heatsink）=0.09K/W,，T(ambient)=40℃,，T_vj,op=150℃,cos(φ）=0.85)。

3.2短路魯棒性

　　盡管場(chǎng)截止型IGBT相對(duì)于非穿通型的設(shè)計(jì)相當(dāng)程度的減小了硅片厚度,，但它仍然具有良好的短路魯棒性^[2,3],。與原來(lái)的600V IGBT3相比，新型650V IGBT4,，短路魯棒性有顯著的增強(qiáng),。硅片厚度的增加，帶來(lái)硅片體積熱容量的增加,，從而可以提供更大的熱預(yù)算,。 另外，溝道寬度的減小降低了短路電流的水平（這種效應(yīng)見(jiàn)于^[4]）,?？傊?50V IGBT4 可以抵抗更高的短路能量,，從而使器件能夠耐受更長(zhǎng)的短路脈沖時(shí)間而不會(huì)損壞,。

　　圖5中所示為650V IGBT4短路脈沖測(cè)試結(jié)果。曲線示出,，短路脈沖時(shí)間達(dá)到了15μs,，并且短路電流通常約是200A器件標(biāo)稱電流的4.5 倍。盡管由于熱的失控,，短路的結(jié)果后來(lái)導(dǎo)致了器件的損壞（圖中沒(méi)有示出）,，然而短路關(guān)斷結(jié)果本身是成功的。對(duì)典型器件,，熱損壞的極限是15μs,，低于這種條件，即使脈沖時(shí)間達(dá)到14.5μs,，器件通常都能耐受下來(lái),。考慮到工藝能力的要求，可以說(shuō)在T_vj=T_vj,op時(shí),，器件的額定最大短路脈沖耐受時(shí)間從600V IGBT3的6μs提高到目前的新型650V IGBT4的10μs,。

圖5. 650V IGBT4的短路脈沖測(cè)試結(jié)果

　　圖中集電極-發(fā)射極電壓V_CE（黑色曲線）、集電極電流IC（紅色曲線）,、柵極-發(fā)射極電壓V_GE（綠色曲線,，右側(cè)縱坐標(biāo)）,測(cè)試條件：V_CE =360V, V_GE =±15V, T_vj =150℃。

4結(jié)論

　　一種特別為大電流應(yīng)用設(shè)計(jì)的IGBT器件——新型650V IGBT4研制成功,。該器件可用于相應(yīng)的模塊,，例如62mm，EconoDUALTM3和EconoPACKTM4,。該IGBT器件的特征在于改善了關(guān)斷的軟度,，即顯著減小了過(guò)沖電壓V_CE,max和電流變化量dI/dt的值。該器件使得在更高的直流電壓和（或者）連接更大電感的情況下,，關(guān)斷EconoPACKTM4變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),。另外，這種新型650V IGBT4提供了更高的短路魯棒性,，可以耐受10μs的脈沖時(shí)間,。新型650V IGBT4 具有更好的開關(guān)行為，而依舊只有適度的損耗,，這種特性使得更好的短路事件管理成為可能：利用10微秒的耐受時(shí)間,，進(jìn)行短路情況下的電流探測(cè)（比如利用開環(huán)Hall 傳感器等）。

　　另外,，Infineon IGBT模塊內(nèi)部裝配技術(shù)的最優(yōu)化提供了顯著的能量循環(huán)（PC）的改善,。這樣至少可以確保在PN 結(jié)工作結(jié)溫T_vj,op=150℃時(shí)有優(yōu)秀的PC壽命預(yù)期，或者在用戶選擇較低結(jié)溫下有更長(zhǎng)的PC壽命,。650V IGBT4在設(shè)計(jì)工程師使用時(shí)能提供更有效的自由度,。

　　這種新一代的半導(dǎo)體器件將被用在大家熟知的和未來(lái)的IGBT 模塊中。由于前述的眾多改進(jìn),，對(duì)不同的應(yīng)用需求,，新一代的IGBT4 模塊都將是一個(gè)明智的選擇。

參考文獻(xiàn)

[1]H.Rüthing.600V-IGBT3: Trench Field Stop Technology in 70μm Ultra Thin Wafer Technology. Proc,15th ISPSD,2003,66

[2]M.Otsuki.Investigation on the Short-Circuit Capability of 1200V Trench Gate Field-Stop IGBTs.Proc,14th ISPSD,2002,281

[3]T.Laska .Short Circuit Properties of Trench/Field-Stop-IGBTs – Design Aspects for a Superior Robustness.Proc,15th ISPSD,2003,152

[4]P.Kanschat, H.Rüthing, F.Umbach, F.Hille.600V-IGBT3:A detailed Analysis of Out-standing Static and Dynamic Properties.Proc,PCIM Europe, 2004,436