摘要：本文介紹了Infineon公司專為Inom>300A中大電流應用設計的最新的650V IGBT4。與600V IGBT3相比，該器件在關斷時具有更好的軟度和更高的阻斷電壓能力。實現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，提高了背面的發射效率。相應地，器件的短路魯棒性也有了顯著的改進。

1引言

　　2003年，英飛凌公司提出了使用溝槽和場截止技術的600V IGBT3器件^[1]，該產品目前仍然是IGBT器件特性的標準。然而，這種600V IGBT3 主要適合小功率應用或者雜散電感很低的大功率應用。在器件開啟及關斷時，雜散電感與電流變化量的結合影響著器件的電壓特性，可以表示為V=L·dI/dt。因此，如果器件關斷時電感Lσ較大，過壓就會很高。當前，為了給不同電路的大電流應用提供更多的選擇，一種全新的芯片——650V IGBT4 已設計完成。

2 650V IGBT4的設計及技術

　　與600V IGBT3一樣，新的650V IGBT4也是采用了溝槽的MOS-top-cell薄片技術和場截止的概念（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），因此通過減小電磁干擾改善了關斷時的軟度，同時獲得了更高的阻斷電壓能力。溝槽和場截止的結合使通態損耗和關斷損耗仍相對較低。當然，上述措施自然也會引起附加的損耗。為了補償相應的影響，背面發射極的效率增加了50%。 結果，650V IGBT4器件關斷時軟度得以改善，即正向過沖電壓降低，關斷電流變化率dI/dt減小；同時阻斷電壓增加到650V。另一方面，正向電壓仍然較低，開關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發射極效率。

3 650V IGBT4的特性

3.1靜態和動態參數

　　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E_off也有增加，主要原因在于器件具有更軟的開關行為。如圖2和圖3所示，軟度的改進是顯而易見的。

　　圖 2 在25℃，600Ａ電流關斷時， 600V IGBT3 (ａ)和新型650V IGBT4 (ｂ)在關斷時的軟度比較(在EconoDUALTM3模塊上測量)。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－發射極電壓V_GE（綠色曲線）的變化情況，對于IGBT3，在200V的直流電壓下，已經有震蕩發生；而新型650V IGBT4即使在300V直流電壓下仍表現為軟的開關特性。

　　圖2 中對EconoDUALTM3的開關過程進行了比較。這種特殊的高電流電路對600V IGBT3并不太合適。因此，在25℃、200V的直流電壓下，對600Ａ電流關斷時， 600V IGBT3會產生一個很高的過沖電壓V_CE,max和階躍震蕩。相反，特別為這種高電流應用相對應的模塊類型設計的650V IGBT4，即使直流電壓加到300V，仍然顯示出平滑的關斷特性和很低的過沖電壓V_CE,max。

　　從圖3可見，通過比較軟度參數V_CE,max和電流變化率dI/dt，兩種器件開關特性的差異也是很明顯的。我們在25℃的溫度下，將器件安裝在DBC表面，對600V IGBT3進行了的測試；對新型650V IGBT4，則進行了幾種不同變體的測試，包括最終的目標設計。通過對600V IGBT3和新型650V IGBT4最終變體的測量結果比較，我們可以看出650 IGBT4與600V IGBT3相比，最大過沖電壓V_CE,max減小了大約40V，同時關斷電流變化率dI/dt下降了20%。

圖3 器件關斷時軟度參數的對比結果

　　包括電流變化率dI/dt和最大過沖電壓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）。所有的數據均為在25℃、在DBC表面、同樣的條件下測試。對于新型650V IGBT4的最終變體，最大過沖電壓V_CE,max比600 IGBT3減小了大約40V，關斷電流變化率dI/dt下降了20%。

　　另一方面，在關斷時更軟的開關行為必須付出更高的損耗。但是考慮到常規的開關頻率，這種損耗增加無關緊要。該事實可以在圖4明顯看出：圖4是IPOSIM的模擬結果。IPOSIM，是Infineon公司設計的一種功率仿真程序，可以在Infineon 網站（www.Infineon.com）找到。它可以完成針對所有組件的開關和導通損耗的計算，不但考慮通態和開關損失，同時也考慮熱額定值。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。而12kHz以下是常規應用典型的開關頻率范圍。

　　圖 4 在600A EconoDUALTM3 的模塊中，電流有效值隨開關頻率變化的計算結果：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

　　盡管場截止型IGBT相對于非穿通型的設計相當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]。與原來的600V IGBT3相比，新型650V IGBT4，短路魯棒性有顯著的增強。硅片厚度的增加，帶來硅片體積熱容量的增加，從而可以提供更大的熱預算。 另外，溝道寬度的減小降低了短路電流的水平（這種效應見于^[4]）。總之，650V IGBT4 可以抵抗更高的短路能量，從而使器件能夠耐受更長的短路脈沖時間而不會損壞。

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

圖5. 650V IGBT4的短路脈沖測試結果

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

4結論

　　一種特別為大電流應用設計的IGBT器件——新型650V IGBT4研制成功。該器件可用于相應的模塊，例如62mm，EconoDUALTM3和EconoPACKTM4。該IGBT器件的特征在于改善了關斷的軟度，即顯著減小了過沖電壓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，關斷EconoPACKTM4變為現實。另外，這種新型650V IGBT4提供了更高的短路魯棒性，可以耐受10μs的脈沖時間。新型650V IGBT4 具有更好的開關行為，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微秒的耐受時間，進行短路情況下的電流探測（比如利用開環Hall 傳感器等）。

　　另外，Infineon IGBT模塊內部裝配技術的最優化提供了顯著的能量循環（PC）的改善。這樣至少可以確保在PN 結工作結溫T_vj,op=150℃時有優秀的PC壽命預期，或者在用戶選擇較低結溫下有更長的PC壽命。650V IGBT4在設計工程師使用時能提供更有效的自由度。

　　這種新一代的半導體器件將被用在大家熟知的和未來的IGBT 模塊中。由于前述的眾多改進，對不同的應用需求，新一代的IGBT4 模塊都將是一個明智的選擇。

參考文獻

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