真正的多元供应，确保供应链安全

真正的多元供应，确保供应链安全

Paul Drexhage 市场技术经理

近年来，功率半导体用户深刻地意识到不确定的半导体供应链带来挑战相当棘手。因此，在设计变频器时，"多元采购 "一直是用户的需求。赛米控丹佛斯作为最大的独立于芯片的功率模块制造商，在解决这个问题上有独特的优势。与我们的长期合作伙伴罗姆半导体一起，我们为低功率模块产品增加了一个完全兼容的1200V IGBT的新来源。这将进一步帮助缓解功率模块的交付短缺，并确保供应链的安全。

全球范围内电气化技术的进步为功率模块带来了前所未有的需求。通常情况下，芯片供应限制了功率模块的产能。尽管芯片制造商不断提高生产能力，但供应情况仍然紧张。正是在这种背景下，罗姆推出了新的1200V RGA IGBT，目标是作为工业应用中最新的第7代IGBT器件的替代品。多年来，罗姆一直是赛米控丹佛斯在碳化硅器件供应方面值得信赖的合作伙伴。罗姆正在向赛米控丹佛斯扩大他们的硅芯片产品，将自己定位为传统芯片供应商的先进替代品。

RGA是一种新设计的、轻穿通型（LPT）、沟槽栅IGBT，Tj,max = 175°C。其导通、开关和热特性为中低功率范围内的新工业驱动应用进行了优化。同时，RGA旨在与现有的IGBT解决方案保持兼容，以实现多源供应。下面的讨论通过比较两个相同的模块的基本器件特性来说明这一点。1200V的RGA IGBT已经在无底板的MiniSKiiP封装中进行了测试。一个配备了第7代的SKiiP24AC12T7V1（ICnom = 35A）用作参考。在这两个测试模块中，电路是相同的，并使用赛米控丹佛斯CAL4F续流二极管。

    图1：输出特性（芯片级），归一化到额定电流                                         

RGA的现代沟槽栅极设计和特定的载流子设计旨在提供低通态电压降。与所有现代的硅IGBT一样，RGA在较高的电流范围内表现出正温度系数（PTC）的正向电压降。虽然这种PTC特性在RGA中比第7代IGBT更强，但在高温下产生的稍高的正向电压降部分被室温下的低电压降所弥补（图1）。结果是两个IGBT在额定电流下的正向电压降相似，在给定的温度范围内，RGA器件是7代器件相差±4%。总的来说，像第7代IGBT一样，RGA表现出比前几代芯片低得多的正向电压降。

RGA IGBT的大电流特性与第7代IGBT不同。如图2所示，RGA IGBT在较高的电流下退饱和，这允许更好地处理在频繁过载的应用中出现的瞬时过电流，如电机驱动。即使温度系数在150°C时影响了行为，RGA器件仍然可以处理三倍于额定值的峰值电流。这有可能使模块具有三倍额定电流的重复峰值电流，这适用于具有预期阶梯式过载的应用。

对于短时的过载能力，配备RGA IGBT的功率模块具有同第7代IGBT一样的高温开关能力：可以工作在175℃的结温。允许的温度曲线的细节在[1]的2.3节中给出。对于连续运行，配备了RGA IGBT的功率模块遵循与现有器件相同的准则：从绝对的最大结点（即Tj,op=150°C）起25K的余量（在最大的允许结温下再预留25K的余量，即Tj,op=150°C）。

     

图2：输出特性（芯片级），归一化到额定电流

栅极特性

第7代IGBT采用了条纹沟槽栅结构，以实现非常小的IGBT单元间距和高导电性（即低电压降）。然而，这种结构的缺点是，与IGBT4相比，它的栅极电容明显较高。这种高电容导致开关时对驱动电路的高负载（电流）要求。在RGAIGBT中采用的良好的传统沟槽栅极结构，比同等的第7代IGBT器件的栅极电荷小18%。同时，栅极阈值电压VGE(th)仍然与其他现代IGBT相似（例如6.0V），在寄生开通性和驱动便利性之间提供了一个很好的平衡。推荐的栅极驱动电压也与大多数IGBT器件相同，在VG,on=15V和VG,off=-8V时进行了测试。

动态特性测试

新一代的IGBT倾向于更高的dv/dt水平（例如，超过7kV/µs），因为这样可以通过提高开关速度来减少开关损耗。RGA也不例外，正像第7代IGBT，可以通过改变栅极电阻来控制开通时的dv/dt和di/dt。即使是在较高的电流下，也可以实现适合于电机驱动的di/dt（<5kV/µs）水平。一般来说，RGA需要较高的RGon来实现与第7代器件类似的dv/dt和di/dt值（图3）。

   

           图3: 不同RGon的开通dv/dt和di/dt特性

          图4:相同RGon的开通特性

在相同的工况和相同的栅极电阻（RGon=8.2Ω，图4）下比较RGA和第7代IGBT开通过程时，能明显地发现RGA有更快的开关速度和需要更大的栅极电阻。在图4中，RGA器件上的峰值电流比第7代IGBT高约22%。但是，高的di/dt，加上VCE电压的快速下降，意味着电流-电压积分和由此产生的开关损耗更低。如果可以接受更高的dv/dt，例如在高速伺服驱动应用中，当使用RGA IGBT时，其回报是开通损耗减少25%。

相反，如果需要类似于第7代IGBT的开关速度，那么将开通的栅极电阻增加一倍就可以了。图5表明，把栅极电阻增加到RGon=16Ω，其平滑的电压和电流的波形会几乎与第7代IGBT重叠。较慢的开关速度增加了损耗，但在这个例子中，RGA和参考的第7代器件的开通损耗几乎是相同的。

    图5:不同RGon的开通特性

与大多数现代沟槽栅IGBT的设计一样，关断栅极电阻的小范围变化对第7代IGBT影响较小。这对RGA IGBT来说也是如此，在大概20Ω的范围内调整栅极电阻，对di/dt、dv/dt和关断损耗的影响很小。使用相同的8.2Ω栅极电阻来关断RGA IGBT，尽管它上升时间很快，但与第7代IGBT的并排比较表现出几乎相同的电压过冲（图6）。RGA IGBT表现出一个软的，但长的拖尾电流，这增加了电压-电流积分。然而，更高的dv/dt部分补偿了这种影响。最终的结果是，RGA的关断损耗只比参考的第7代器件高5%。

    图6:相同RGon的关断特性

应用对比

导通损耗、开关损耗和散热性能的最终效应最好通过计算给定应用条件下的结温来表示。以下采用一个三相，两电平电压源逆变电路与三相全桥 MiniSKiiP模块，应用参数如表1所示。选择两个额定电流为35A的模块进行比较。这种规格的模块适用于5.5-11kW范围内的工业电机驱动器，具体取决于所考虑的过载情况。

      表1: 仿真工况参数

我们使用赛米控丹佛斯成熟的第五代仿真工具SemiSel进行仿真比较。在一个MiniSKiiP模块上涂抹高性能导热膏(HPTP)，并安装到强制风冷散热器上，假设环境温度为45°C。逆变电路如表1所示参数下工作，并计算结温。基于前面的讨论，为了取得与第7代IGBT相似的dv/dt， RGA IGBT选择了更高的栅极开通电阻。选择一个电流，使得结温在最高的开关频率为125°C。由于功率循环的寿命问题，在电机驱动应用中认为该温度是衡量模块连续输出能力的典型限制。仿真所得到的结温和效率与频率的关系如图7所示。

           图7: 仿真的结温和效率

在相同的工作条件下，计算出的RGAIGBT结温平均比第7代IGBT低6K（图7的实线）。这主要是由于优化了RGA IGBT的芯片尺寸，导致从芯片到散热器的热阻降低14%。较低的结温可以降低功率模块的热机械应力，并可以增加功率循环的寿命。例如采用RGAIGBT达到了与第7代IGBT的相同结温，则可以降低对散热的要求。例如，降低散热器成本或降低风扇速度。

因为低开关频率下，导通损耗占据主要部分，所以RGA在高温下较高的正向压降影响了效率。相反，由于RGA的开通损耗较小，这使其在较高的开关频率上具有效率优势。然而，在给定的应用实例中，两种芯片的模块效率在1...10kHz范围内基本相同（图7中的虚线）。

另外，我们有望利用RGA优越的热性能，在相同的封装中获得更大的输出电流。另一个热仿真表明，在1...10kHz范围内，RGAIGBT能够比第7代IGBT的输出电流高2...9%，代价是效率略有下降。

短路特性

芯片尺寸变小的总体趋势降低了现代IGBT芯片的散热性能，所以跟以往的IGBT芯片相比，其短路能力也有所下降。在目前的单脉冲短路测试标准中，1200V RGA IGBT在800VDC，150°C的短路时间tpsc为8μs，这跟第7代IGBT是一样的。RGAIGBT的高di/dt意味着它在短路时也会达到高的峰值电流，超过ICnom的5倍。尽管如此，关断特性仍然是可控的，没有任何高频振荡。

耐湿度的鲁棒性

随着功率变换器的新应用扩展到全球各地，更多的功率半导体器件可能会受到高湿度环境的影响。基于器件失效模式的理解，这一点推动了功率半导体行业进行更严苛的可靠性测试。特别是，高电压、高湿度、高温反向偏压（HV-H³TRB）测试已经成为衡量长期耐湿鲁棒性的标准。该测试通过在85°C环境温度和85%相对湿度的测试室中施加80%的额定阻断电压（例如960VDC），对IGBT芯片的边缘施加压力。器件的评估是在不超过给定阻断电压的漏电流限制下，它们能承受多少个小时（如168/504/1000小时）。赛米控丹佛斯的测试表明，RGA IGBT可以满足1000小时的最低要求，这使它与第7代IGBT处于同一级别。

应用

赛米控丹佛斯可以提供1200V RGA IGBT，其额定电流等级从10A到150A。考虑到RGA芯片对电机驱动应用的适用性，这个范围意味着MiniSKiiP系列是模块应用上的理想选择。无底板、弹簧压接的MiniSKiiP已经广泛应用于全球电机驱动市场，并始终配备最新一代的IGBT芯片。因此，对该产品来说，有一个替代的IGBT芯片来源以使供应链多元化是很重要的。我们提供统一高度的MiniSKiiP封装系列（图8），在市场上也有多源封装，使其成为制造商不错的选择。首批配备RGA的MiniSKiiPs将采用三相全桥（"AC"）和整流-刹车-逆变（"NAB"）拓扑结构，允许对配备第七代IGBT的模块进行引脚兼容的替换。可以提供MiniSKiiP预涂高性能导热硅脂（HPTP）仿真比较中使用的就是这种相同的导热硅脂。

     图8: 装配RGA的 MiniSKiiP1/2/3

对于压接/焊接的版本，我们提供的行业标准封装SEMITOP E也配备了RGA，并与现有的第7代IGBT模块引脚兼容。这个封装系列（图9）也将提供三相全桥（"GD"）和整流-刹车-逆变（"DGDL"）拓扑。SEMITOP E封装与其他工业标准产品完全兼容，同时它还有一个优势，那就是集成安装片而不是金属夹。这增加了安装压力，从而降低了热阻。卓越的增强型压接针具有内部应力消除功能，以提高机械安装的坚固性。

     图9: 装配RGA的SEMITOP E1/E2

SEMITOP E可提供预涂HPTP或赛米控丹佛斯独家新的高性能相变材料（HP-PCM），以便在组装时易于处理。1200V RGA IGBT在功率模块型号中将以"12RA"命名：例如，额定电流为35A的MiniSKiiP CIB模块将被命名为SKiiP 24NAB12RAV1。

总结

电力电子行业供应状态在逐渐恢复到正常水平，并从近几年的供应问题中学习改进。很明显，要供应真正的"多源"的功率模块，半导体芯片和模块供应都需要多元化。对于在低功率范围内使用的1200V第7代IGBT，现在可以从一个靠谱的制造商那里获得可靠的替代品来解决这个问题。罗姆的1200VRGA IGBT是第7代IGBT的完美替代品，采用小栅极电阻，可以得到跟第7代IGBT非常相似的性能。导通损耗的微小差异完全被改进的散热性能所弥补。这使得1200VRGA IGBT在应用中的性能与相同规格模块封装中的最新的7代IGBT完全相当。1200VROHM RGA IGBT具有湿度、短路和温度稳定性，当它封装在赛米控丹佛斯功率模块中时，它是一个非常可靠的选择。

赛米控—丹佛斯简介

赛米控丹佛斯致力于打造电力电子领域的全球技术领导者。我们的产品包括半导体器件、功率模块、模组和系统。  

当今世界正处在电气化的大趋势中，赛米控丹佛斯的技术比以往任何时候都更加重要。我们致力于为汽车、工业和可再生能源应用领域提供创新性解决方案，帮助世界更高效、更可持续地使用能源，显著降低碳排放，以应对气候变化。

我们积极投资于创新、技术、产能和服务。在服务客户、为其提供行业最佳性能的同时，实现员工的发展，携手打造可持续的未来。

　　审核编辑：汤梓红