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, Otori.Daichi@ap.MitsubishiElectric.co.jp
通讯作者:Daichi Otori, Otori.Daichi@ap.MitsubishiElectric.co.jp
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。
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。
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。
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。
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)。
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%。
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。
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。
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。
6.参考文献
[1] “7th Generation T-series Industrial LV100-type Application Note”, Mitsubishi Electric Power module application note, March 2023, https://www.mitsubishielectric.co.jp/semiconductors/powerdevices/applica... rial_lv100_e.pdf
[2] M. Miyazawa, M. Tabata, H. Muraoka, T. Hieda, T. Radke, “7th Generation IGBT Module for Industrial Apprications” PCIM 2014.
[3] H. Takahashi et al. “Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor (CSTBT) -A Novel Power Device for High Voltage Application-”, ISPSD 1996.
[4] K. Konishi, K. Nishi, K. Sako, A. Furukawa, “Split-Dummy-Active CSTBTTM for Improving Recovery dV/dt and Turn-on Switching Loss Tradeoff” ISPSD 2022.
[5] K. Suzuki, K. Nishi, M. Kaneda, A. Furukawa, “N-buffer design optimization for Short Circuit SOA ruggedness in 1200V class IGBT” ISPSD 2018.
[6] K. Konishi, R. Kamibaba, M. Umeyama, A. Narazaki, T. Takahashi, A. Furukawa and M. Tarutani, “Experimental Demonstration of the Active Trench Layout Tuned 1200V CSTBTTM for Lower dV/dt Surge and Turn-on Switching Loss”, Proc. ISPSD 2016.
[7] S. Machida, T. Sugiyama, M. Ishiko, S. Yasuda, J. Satio and K. Hamada, “Investication of Correlation between Device Structures and Switching Losses of IGBTs”, Proc. ISPSD 2009.
[8] S. Machida, K. Ito, and Y. Yamashita, “Approaching the Limit of Switching Loss Reduction in Si-IGBTs”, Proc. ISPSD 2014.
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。
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