深度了解第8代1800A/1200V IGBT功率模块

作者  

Daichi Otori1, Masaomi Miyazawa1, Stumpf Eugen2, Koichi Masuda2

1三菱电机功率器件制作所, 日本

2三菱电机欧洲公司, 德国

发言人：Daichi Otori, [e-mail]

通讯作者：Daichi Otori, [e-mail]

摘要   

本文介绍了为工业应用设计的第8代1800A/1200V IGBT功率模块，该功率模块采用了先进的第8代IGBT和二极管。与传统功率模块相比，该模块采用了分段式栅极沟槽（SDA）结构，并通过可以控制载流子的等离子体层（CPL）结构减少芯片厚度，从而显著的降低了功率损耗。特别是，在开通dv/dt与传统模块相同的情况下，SDA结构可将Eon降低约60%，通过大幅降低功率损耗，模块可以提高功率密度。通过采用这些技术并扩大芯片面积，第8代1200V IGBT功率模块在相同的三菱电机LV100封装中实现了1800A的额定电流，是传统1200V IGBT功率模块的1.5倍。

1.引言   

近年来，作为应对全球变暖的对策，光伏和储能等可再生能源市场正在稳步增长，在这些市场中，作为功率转换系统核心的功率半导体器件的需求正在大幅增长。特别是1200V级别的IGBT功率模块被广泛集成到系统中，需要输出功率更高的IGBT模块来提高系统性能并降低系统成本。工程师们正在有限的空间内设计具有高功率能力的系统，因此，要求 IGBT 模块在保持传统封装尺寸的同时提高输出功率。有两种方法可以提高输出功率，第一种是提高输出电压，第二种是增加输出电流。选择提高输出电压需要用户进行大量的重新设计，因为IGBT模块周围的许多器件也需要提高其额定电压。另一方面，与提高电压相比，选择增加电流的方法在提高输出功率的同时，用户的设计更改较少。提高IGBT模块的功率密度对于提高传统1200V级IGBT功率模块的输出电流具有重要意义，而“降低损耗”和“增加散热”是提高功率密度较为可取的方法。

图1显示了采用额定1200A/1200V LV100封装的第7代IGBT产品，在A-NPC三电平拓扑条件下计算得到的稳态和开关损耗的归一化比率。可以注意到，IGBT和二极管的稳态功率损耗在外管、内管、中性点钳位管的总损耗中都占有较高比率。同时还可以发现，外管的开通损耗较大，因此，降低IGBT稳态损耗、开通损耗以及二极管稳态损耗对于降低总功率损耗非常有效。第8代芯片为降低上述功率损耗进行了优化，此外，扩大芯片面积是增加散热的一种可行方法，第8代芯片通过扩大芯片面积，改善了稳态特性和散热能力。

LV100封装是一种工业级封装，采用叠层电极结构[2]，具有较低的Ls（封装内部寄生电感）。此外，LV100可以为内部芯片提供出色的电流平衡，并且可以并联使用，因此近年来已被用于多种用途。

条件：Tvj=150℃，VCC=750V，M=0.75，PF=1，fC=3kHz，fO=50Hz，3电平A-NPC拓扑

图1：传统1200V模块的损耗比率

图2：工业LV100封装外观

2.第8代芯片技术  

第8代芯片主要采用分段式栅极沟槽（SDA）结构和控制载流子等离子体层（CPL）结构，本节将对这些技术进行说明。

IGBT模块的高速开关操作可以降低开通损耗，然而，高速开关操作会带来较高的开通dv/dt。众所周知，它是一种电磁干扰（EMI）辐射噪声源，会对用户的电动机绝缘产生应力，所以应通过增加栅极电阻（RG）来将开通dv/dt限制在一定值以下，然而较大的RG会降低IGBT模块的开关速度，并导致较高的开通损耗。因此，有必要在不增加RG的情况下降低开通dv/dt。图3和图4显示了第7代和第8代载流子存储式沟槽栅双极晶体管（CSTBTTM）的截面示意图[3]，在第7代CSTBTTM中，与栅极相连的有效沟槽和与发射极相连的无效沟槽交替放置。而在第8代CSTBTTM中，无效沟槽被SDA沟槽取代，在这一配置中，沟槽内部的电极分为两段，SDA沟槽的上电极连接到发射极，而下电极连接到栅极。此外，CPL被应用于第8代CSTBTTM的背面缓冲层。图5-(a)和(b)显示了第7代和SDA结构的芯片特性，显示了发射极电流（IE）与开通dv/dt的关系，图5-(a)中的横轴表示额定IE低于100%的区域，图5-(b)中的横轴表示额定IE低于2%的区域。SDA结构在不增加栅极-发射极电容（CGE）的情况下增加了栅极-集电极电容（CGC），如图5-(a)和(b)所示，增加CGC可以降低小电流下的开通dv/dt，而不会影响大电流下的开通dv/dt[4]。SDA结构的这一效应很重要，因为在小电流下开通dv/dt通常是最高的。

图3：第7代CSTBTTM示意图

图4：第8代CSTBTTM示意图

条件：Tvj=25°C，VCC=750V，VGE=15V，RG=0Ω

图5-(a)：芯片参数（0-100%区域）：发射极电流与开通dv/dt的关系

条件：Tvj=25℃，VCC=750V，VGE=15V，RG=0Ω

图5-(b)：芯片参数（0-2%区域）：发射极电流与开通dv/dt的关系

稳态和开关损耗通常可以通过减小芯片厚度来降低，优化芯片厚度时应考虑击穿电压。在有高di/dt的关断操作时，会产生关断浪涌电压，如果这个关断浪涌电压超过IGBT的击穿电压，IGBT模块将会损坏。因此，为了减小IGBT厚度并实现高di/dt下的关断操作，抑制关断浪涌电压非常重要。

第8代IGBT调整了背面缓冲层的设计[5]，CPL结构提供了关断时的柔和度。带CPL和不带CPL的IGBT关断波形如图6所示，不带CPL的IGBT显示出高而尖的关断浪涌电压，浪涌电压峰值超过了1200V的额定电压。反观，带CPL的IGBT可抑制关断浪涌电压和振荡，浪涌电压峰值保持在1200V的额定阻断电压以下，它们在相同条件下进行比较，因为浪涌电压和振荡的发生程度通常受到外部电感（Ls）和运行条件等因素的影响。这两种芯片都与第8代IGBT的厚度相同，仅通过改变背面缓冲层的设计来进行比较。因此，带有CPL的第8代IGBT能够在较高di/dt条件下关断运行，并减小了芯片厚度，所以第8代IGBT可以降低功率损耗。

条件：Tvj=150℃，VCC=750V，VGE=15V，RG=1.6Ω，IC=额定电流

图6：带CPL和不带CPL的IGBT关断波形

第8代芯片采用了SDA栅极结构和CPL结构等技术来提高功率密度。

3.第8代IGBT模块的评估结果  

本节对LV100封装中配备第2节所述第8代芯片的第8代额定1800A/1200V的IGBT模块和配备第7代芯片的传统模块CM1200DW-24T（1200A/1200V额定）进行了评估。

图7展示了芯片面积和结壳热阻（Rth(j-c)）的归一化比较，第8代1200V等级芯片组的芯片面积针对LV100封装中的芯片安装区域进行了优化。第8代IGBT采用的芯片面积比第7代IGBT面积大39%，从而降低了Rth(j-c)，扩大IGBT面积还可以降低IGBT的稳态损耗。

第8代二极管优化了芯片厚度，调整了损耗折衷曲线，以发挥第8代IGBT的性能。此外，该二极管通过采用比第7代二极管面积大18%的芯片面积来减少Rth(j-c），扩大的二极管面积还可以降低二极管的稳态损耗，而且，第8代IGBT模块通过优化封装内部的设计，扩大了芯片安装的可用面积。

图7：1200V芯片面积和Rth(j-c)

图8-(a)和(b)显示了在上述条件下评估开通dv/dt与IE的关系，图8-(a)中的横轴表示额定IE低于100%的区域，图8-(b)中的横轴表示额定IE低于2%的区域。与芯片特性类似，第8代模块和传统模块在小电流下的开通dv/dt都高于大电流下的开通dv/dt，特别是在额定IE低于0.5%的区域，传统模块的开通dv/dt明显更高。相比之下，第8代模块在低于额定IE的所有区域的开通dv/dt都比传统模块低，尤其是通过应用SDA结构，第8代模块在低于额定IE 0.5%的小电流下的开通dv/dt得到了有效降低，并且通过扩大芯片面积和折衷曲线，也降低了大电流区域的开通dv/dt。

图9显示了第8代模块和传统模块在最大开通dv/dt时的发射极-集电极电压（VEC）波形（如图8-(b)所示，传统模块的条件为IE=0%，第8代模块的条件为IE=0.1%），这些波形也证实了第8代模块的dv/dt低于传统模块的dv/dt。

条件：Tvj=25℃，VCC=750V，VGE=15V，RG=1.6Ω

图8-(a)：模块参数（0-100%区域）：发射极电流与开通dv/dt的关系

条件：Tvj=25℃，VCC=750V，VGE=15V，RG=1.6Ω

图8-(b)：模块参数（0-2%区域）：发射极电流与开通dv/dt的关系

条件：Tvj=25℃,，VCC=750V，VGE=15V，RG=1.6Ω，IE=最大开通dv/dt时的电流

图9：最大开通dv/dt时的波形

图10显示了开通dv/dt与IE的关系，第8代的开通dv/dt匹配为20kV/μs，这是传统模块的最大值。第8代模块调整了RG去匹配传统模块的开通dv/dt，由于第8代模块具有较低的开通dv/dt，所以可以使用比传统模块更小的RG。减小的RG为第8代模块提供了高速开关操作的可行性，并且可以降低每个脉冲的开通开关能量（Eon）。

条件：Tvj=25℃，VCC=750V，VGE=15V

图10：模块参数（0-2%区域）：发射极电流和RG与开通dv/dt的关系

图11显示了第8代模块和传统IGBT模块的Eon与开通dv/dt之间的关系，与传统模块相比，第8代模块在开通dv/dt=20kV/μs条件下Eon降低了约60%。

条件：Tvj=150℃，VCC=750V，VGE=15V，IC=1800A，dv/dt=20kV/μs

图11：Eon与开通dv/dt的关系

4.第8代IGBT模块的电气参数和输出功率  

图12显示了传统CM1200DW-24T（额定值1200A/1200V）和第8代额定值1800A/1200V的LV100封装IGBT功率模块的电气参数，传统模块使用可用的最小RG值，此时的开通dv/dt为20kV/μs。第8代模块的RG已调整为与传统模块的开通dv/dt相匹配，两者的损耗比较结果如下所述。

(a). VCEsat

通过扩大芯片面积和减小芯片厚度可降低VCEsat。

(b). VEC

通过扩大芯片面积、优化芯片厚度和折衷曲线，可降低VEC。

(c). Eon

通过采用SDA结构和减小芯片厚度，可减少Eon。

(d). Eoff

扩大芯片面积会增加Eoff，而减小芯片厚度则可降低Eoff，因此，Eoff调整为与传统模块相似的损耗曲线。

(e). Err

扩大芯片面积和折衷曲线，Err会增加。

(a) VCEsat与IC的关系

(b) VEC与IE的关系

条件：Tvj=150℃，VCC=750V，VGE=15V，IC，IE=~1800A

图12-(a)(b)：传统和第8代IGBT模块的电气特性（稳态）

(c) Eon与IC的关系

(d) Eoff与IC的关系

(e) Err与IE的关系

条件：Tvj=150℃，VCC=750V，VGE=15V，IC，IE=~1800A，dv/dt=20kV/μs

图12-(c)(d)(e)：传统和第8代IGBT模块的电气特性（动态）

图13显示了IGBT模块的载波频率（fC）和输出电流（IOUT）之间的关系，横轴表示载波频率（fC），纵轴表示输出电流（IOUT）。这是通过图12中的电气参数计算得出的。结果表明，与传统模块相比，第8代IGBT模块的输出功率可以提高约25%，通过优化冷却条件和其他因素，还可以进一步提高IOUT。

条件：Tvj=150℃，VCC=750V，M=0.75，PF=1，fO=50 Hz，强迫风冷，Ta=40℃，3电平A-NPC拓扑

图13：输出功率对比

5.结论   

第8代1200V电压等级LV100封装的IGBT功率模块，具有更高的额定电流，专为工业应用而设计。通过采用SDA栅极结构和CPL结构，第8代IGBT模块展现出卓越的功率损耗，特别是与具有相同开通dv/dt的传统模块相比，IGBT的SDA栅极结构使得EON降低了约60%。此外，扩大了第8代芯片的面积，以增强散热并降低稳态损耗，通过降低损耗，模块提高了功率密度。因此，第8代1200V IGBT模块采用与传统LV100相同的封装下，实现了1800A的额定电流，如图14所示。

图14：额定1200V LV100系列产品

关于三菱电机

三菱电机创立于1921年，是全球知名的综合性企业。截止2024年3月31日的财年，集团营收52579亿日元（约合美元348亿）。作为一家技术主导型企业，三菱电机拥有多项专利技术，并凭借强大的技术实力和良好的企业信誉在全球的电力设备、通信设备、工业自动化、电子元器件、家电等市场占据重要地位。尤其在电子元器件市场，三菱电机从事开发和生产半导体已有68年。其半导体产品更是在变频家电、轨道牵引、工业与新能源、电动汽车、模拟/数字通讯以及有线/无线通讯等领域得到了广泛的应用。