絕緣柵雙極晶體管(IGBT)技術(shù)對(duì)于高功率應(yīng)用中的高效率至關(guān)重要，特別是在阻斷電壓超過(guò)600V的情況下。

可再生能源領(lǐng)域，如光伏(PV)和儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)，在應(yīng)對(duì)全球變暖方面取得了顯著增長(zhǎng)，推動(dòng)了對(duì)功率半導(dǎo)體的需求。對(duì)高功率等級(jí)逆變器的需求正在增加。工程師必須在有限的空間內(nèi)設(shè)計(jì)高功率系統(tǒng)，這就需要IGBT模塊在保持既定封裝尺寸的同時(shí)提供更高的輸出功率。2014/35/EU低電壓指令允許“低電壓”應(yīng)用中直流電壓水平高達(dá)1500V。1200V級(jí)IGBT功率模塊在這些系統(tǒng)中至關(guān)重要，因?yàn)榭梢蚤_(kāi)發(fā)出3L-ANPC(三電平主動(dòng)中性點(diǎn)鉗位)拓?fù)洌詽M足高達(dá)1500V的直流鏈接電壓要求。

每個(gè)功率模塊的功率密度提升被視為實(shí)現(xiàn)更高輸出電流的重要目標(biāo)，尤其是在需要3L-ANPC拓?fù)涞母吖β侍?yáng)能或儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換器中，這會(huì)對(duì)冷卻所需的成本產(chǎn)生影響。因此，有必要減少電氣損耗以優(yōu)化效率，并改善散熱以在不發(fā)生過(guò)熱的情況下以更高的功率水平運(yùn)行，從而確保可靠性和性能。

性能估算與設(shè)計(jì)目標(biāo)

圖1展示了在LV100封裝中考慮3L-ANPC拓?fù)涞牡谄叽?200A/1200V額定IGBT產(chǎn)品的計(jì)算導(dǎo)通損耗與開(kāi)關(guān)損耗的歸一化比率。在圖中，導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗分別稱(chēng)為DC和SW。

損耗主要由直流功率損耗主導(dǎo)。這在IGBT和二極管以及所有設(shè)備(外部、內(nèi)部和中性)中都是如此。此外，外部設(shè)備的開(kāi)通開(kāi)關(guān)功率損耗比率尤其明顯。因此，針對(duì)IGBT直流功率損耗、二極管直流功率損耗和開(kāi)通開(kāi)關(guān)功率損耗的有針對(duì)性減少，對(duì)于降低系統(tǒng)內(nèi)的總功率損耗至關(guān)重要。

減少這些特定的功率損耗能夠顯著提升整個(gè)系統(tǒng)的效率。IGBT和二極管中的高直流功率損耗率表明，這些組件的優(yōu)化可能帶來(lái)顯著的性能提升。同樣，解決外部設(shè)備的高開(kāi)通開(kāi)關(guān)功率損耗也能進(jìn)一步降低總功率耗散，提高模塊的操作效率和可靠性。

第八代芯片技術(shù)——關(guān)鍵特性

三菱電機(jī)的第八代IGBT芯片主要采用了分裂假負(fù)載(SDA)柵結(jié)構(gòu)和控制電荷載流子等離子層(CPL)結(jié)構(gòu)。本文對(duì)此先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)描述。

圖2展示了第七代和第八代涉及SDA和CPL的示意橫截面圖。

在IGBT模塊中，通過(guò)高速開(kāi)關(guān)可以減少開(kāi)通開(kāi)關(guān)功率損耗，但這會(huì)導(dǎo)致高反向恢復(fù)dv/dt，從而產(chǎn)生電磁干擾(EMI)并給電機(jī)絕緣造成壓力。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常會(huì)增加?xùn)?a target="_blank">電阻(RG)，但這也會(huì)增加開(kāi)關(guān)功率損耗。因此，在不增加RG的情況下降低反向恢復(fù)dv/dt是至關(guān)重要的。

第八代使用SDA溝槽代替假負(fù)載溝槽。在SDA溝槽中，上電極連接到發(fā)射極，下電極連接到柵極。此外，CPL結(jié)構(gòu)應(yīng)用于背面緩沖層。

圖3描繪了兩代間發(fā)射極電流(IE)對(duì)反向恢復(fù)dv/dt的依賴(lài)關(guān)系。SDA結(jié)構(gòu)在不影響柵-發(fā)射極電容(CGE)的情況下增加?xùn)?集電極電容(CGC)，有效地在低電流下減少恢復(fù)dv/dt，而不影響高電流。這點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)榉聪蚧謴?fù)dv/dt通常在低集電極電流時(shí)最高。

減少芯片厚度可以降低直流和開(kāi)關(guān)功率損耗，但這必須與擊穿電壓考慮相平衡。在高di/dt關(guān)斷操作中，過(guò)量的VCE瞬態(tài)電壓可能會(huì)損毀IGBT。抑制關(guān)斷VCE瞬態(tài)電壓是降低芯片厚度并實(shí)現(xiàn)高di/dt操作的關(guān)鍵。

第八代IGBT采用了具有控制電荷載流子等離子層(CPL)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化背面緩沖層。CPL結(jié)構(gòu)通過(guò)管理關(guān)斷過(guò)程中電荷載流子的分布，提高關(guān)斷的柔和性，從而減少峰值VCE瞬態(tài)電壓和振蕩。圖4表明，帶有CPL的IGBT將關(guān)斷VCE瞬態(tài)電壓抑制在1200V額定值以下，而沒(méi)有CPL的IGBT則觀察到了尖銳的瞬態(tài)電壓。

這一改進(jìn)設(shè)計(jì)允許更高的di/dt關(guān)斷操作，減少芯片厚度，從而降低功率損耗，使第八代IGBT更高效可靠。

接下來(lái)，將進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，以量化第八代芯片及其先進(jìn)技術(shù)(包括SDA柵結(jié)構(gòu)和CPL)的優(yōu)勢(shì)。

第八代芯片技術(shù)——性能基準(zhǔn)測(cè)試

圖5展示了芯片面積及結(jié)-殼體熱阻(Rth(j-c))的標(biāo)準(zhǔn)化比較。第八代1200V級(jí)芯片針對(duì)LV100封裝芯片安裝面積進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)將IGBT芯片面積增加39%與第七代相比，第八代IGBT顯著降低了Rth(j-c)和直流功率損耗。

第八代二極管在損耗折衷和芯片厚度上進(jìn)行了優(yōu)化，其芯片面積也比前代大18%。這一擴(kuò)展減少了Rth(j-c)和直流功率損耗。此外，LV100封裝的內(nèi)部設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以最大化第八代IGBT模塊的芯片安裝面積。

因此，圖6展示了IGBT模塊的載頻(fc)與輸出電流(Iout)之間的關(guān)系。橫軸表示fc，縱軸顯示Iout的運(yùn)行值。結(jié)果表明，第八代IGBT模塊的輸出功率相比傳統(tǒng)模塊可增加約25%。或者，對(duì)于相同的輸出功率，載頻可從2.7kHz提高至4.4kHz。

IGBT芯片的先進(jìn)技術(shù)

第八代IGBT芯片利用了先進(jìn)的技術(shù)，如分裂假負(fù)載柵結(jié)構(gòu)和控制電荷載流子等離子層結(jié)構(gòu)，代表了Si IGBT芯片技術(shù)的重大飛躍。這些創(chuàng)新提升了功率密度，減少了開(kāi)關(guān)和直流功率損耗，并改善了熱性能。

可再生能源領(lǐng)域，特別是光伏(PV)和儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)，推動(dòng)了對(duì)高效率功率半導(dǎo)體的需求增加。在這些應(yīng)用中，1200V級(jí)IGBT模塊至關(guān)重要，能夠在保持傳統(tǒng)封裝尺寸的同時(shí)提供更高的輸出功率。第八代芯片通過(guò)優(yōu)化芯片厚度、增強(qiáng)背面緩沖層設(shè)計(jì)和擴(kuò)大LV100封裝內(nèi)的芯片面積實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

測(cè)試表明，第八代IGBT模塊顯著降低了開(kāi)關(guān)損耗，并改善了熱性能，相比于前幾代，IGBT芯片面積增加了39%，二極管芯片面積增加了18%，這導(dǎo)致結(jié)-殼體熱阻(Rth(j-c))和直流功率損耗的降低。此外，這些模塊實(shí)現(xiàn)了大約25%更多的輸出功率，并通過(guò)優(yōu)化冷卻和系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)一步改善潛力。

第八代IGBT模塊在效率、可靠性和功率密度方面提供了顯著的進(jìn)步，使其在快速增長(zhǎng)的可再生能源市場(chǎng)中的高功率應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)。