中心論題：
- 半導(dǎo)體開關(guān)中的IGBT和二極管
- 芯片技術(shù)的進(jìn)展
- 模塊外殼的要求
解決方案：
- IGBT4總損耗更低，開關(guān)行為更為輕柔，同時(shí)芯片的面積也更小
- 新一代芯片擴(kuò)大了的溫度范圍
在日益增長(zhǎng)的變頻器市場(chǎng)，許多廠商提供性能和尺寸各異的變換器類型。這正是以低損耗和高開關(guān)頻率而著稱的新IGBT技術(shù)施展的舞臺(tái)。在62 mm（當(dāng)前模塊的標(biāo)準(zhǔn)尺寸）模塊中使用新IGBT技術(shù)可使用戶不必改變其機(jī)械設(shè)計(jì)概念而獲益。
基于平臺(tái)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)62 mm SEMITRANS模塊，由于針對(duì)IGBT和二極管采用了不同的半導(dǎo)體技術(shù)，因此適合于多種應(yīng)用場(chǎng)合。采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸模塊外殼這一事實(shí)意味著用戶有更多可供選擇的供應(yīng)商。
新1 200 V系列模塊為我們展示了外殼和半導(dǎo)體之間的匹配是多么的完美，該系列產(chǎn)品基于英飛凌的IGBT4技術(shù)和賽米控穩(wěn)健可靠的新CAL4二極管。
半導(dǎo)體開關(guān)中的IGBT和二極管
在電力電子技術(shù)中半導(dǎo)體器件IGBT 和二極管僅作為開關(guān)，“理想的開關(guān)”必須滿足以下條件：通態(tài)壓降Vd = 0，與當(dāng)前導(dǎo)通電流無關(guān)；反向電流Ir = 0，在最大允許反向電壓以下；開關(guān)損耗Psw = 0，與當(dāng)前被切換的電流和直流母線電壓無關(guān)；熱阻Rth無足輕重，因?yàn)闆]有損耗產(chǎn)生。
然而，在實(shí)際的開關(guān)中，存在大量的正向壓降和開關(guān)損耗，因而設(shè)計(jì)中的熱阻處理技術(shù)對(duì)模塊性能來說是至關(guān)重要的。本文討論了IGBT2、IGBT3 以及SEMITRANS模塊采用的新IGBT4 半導(dǎo)體技術(shù)之間的區(qū)別，并展示了在某些情況下新IGBT4技術(shù)所帶來的性能提升。
芯片技術(shù)的進(jìn)展
圖1（a）顯示了基于英飛凌溝槽柵場(chǎng)截止（FS）IGBT4 技術(shù)和賽米控CAL4 續(xù)流二極管的新一代芯片的基本結(jié)構(gòu)。
IGBT4基本上是基于已知的IGBT3 溝槽柵結(jié)構(gòu)并結(jié)合經(jīng)優(yōu)化的包含n-襯底、n-場(chǎng)截止層和后端發(fā)射極的縱向結(jié)構(gòu)。與第三代IGBT相比，這將使總損耗更低，開關(guān)行為更為輕柔，同時(shí)芯片的面積也更小。此外，pn 結(jié)的最高結(jié)溫Tjmax 從150益升高至175益。這將在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過載情況下建立一個(gè)新的安全裕度。IGBT4系列產(chǎn)品的特點(diǎn)是有一個(gè)為高、中、低功率應(yīng)用而優(yōu)化的縱向結(jié)構(gòu)；開關(guān)性能和損耗適用于給定的功率等級(jí)。這里所展示的結(jié)果集中在中等功率范圍（50~600 A）的應(yīng)用，采用的是低電感模塊，開關(guān)速率在4~12 kHz之間（這相當(dāng)于IGBT4L）。
當(dāng)在更高電流密度情況下使用新一代IGBT，具有高電流密度的續(xù)流二極管也是需要的，尤其是對(duì)《變頻技術(shù)應(yīng)用》2008年第3期那些具有最大芯片封裝密度的模塊。基于這個(gè)原因，在現(xiàn)有CAL（可控軸向長(zhǎng)壽命）二極管技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了新的CAL4 續(xù)流二極管，其特點(diǎn)在于對(duì)任何電流密度的軟開關(guān)性能，耐用度（高di/dt）好以及低反向恢復(fù)峰值電流和關(guān)斷損耗。CAL4 FWD的基本結(jié)構(gòu)只是背面帶有n/n+結(jié)構(gòu)的薄n-襯底，如圖1（b）所示。為了減少產(chǎn)生的損耗，n緩沖層被優(yōu)化，采用較薄n+晶圓，使活動(dòng)表面積增大（即小邊結(jié)構(gòu)），縱向載流子壽命被優(yōu)化。因此，新的，經(jīng)過改進(jìn)的CAL4 二極管很出色，除了電流密度提高了30%，其正向電壓更低，切換損耗也與上一代相類似（CAL3，Tjop =常數(shù)）。為增加pn結(jié)的最高結(jié)溫至175益，使用了新的邊緣端鈍化技術(shù)。受益于上述的優(yōu)化工作，CAL4FWD是第四代IGBT應(yīng)用的完美匹配。
新一代芯片擴(kuò)大了的溫度范圍———175益（Tjmax）在適當(dāng)?shù)目煽啃栽囼?yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證，例如，柵應(yīng)力，高溫反偏（HTRB），高濕高溫反偏（THB）測(cè)試。
英飛凌的3 個(gè)主要IGBT 技術(shù)系列的最重要的專用參數(shù)如表1 所列，它們都為1 200 V SEMI原TRANS模塊所使用。
模塊外殼的要求
SEMITRANS模塊外殼的主要參數(shù)以及這些參數(shù)對(duì)最終產(chǎn)品性能所產(chǎn)生的影響的詳細(xì)信息如表2所列。
a.端子電阻
模塊的端子電阻對(duì)電路的工作效率的影響如圖2所示。在圖2所示的例子中，舉例的開關(guān)導(dǎo)通損耗比SEMITRANS高11%。這相當(dāng)于一個(gè)每相絕對(duì)值約90 W，三相共270 W的功率變頻器。
b.熱阻
這一參數(shù)影響最大允許功率損耗，從而也影響模塊中IGBT和二極管的最大允許的集電極電流。下列因素對(duì)決定熱阻的大小至關(guān)重要：芯片尺寸（面積）；模塊設(shè)計(jì)[焊接、陶瓷基板（DCB）、基板]；系統(tǒng)設(shè)計(jì)（導(dǎo)熱硅脂，散熱器）。不考慮半導(dǎo)體的成本，其通常會(huì)占到模塊總成本的50%以上，外殼的選擇會(huì)對(duì)模塊的額定電流產(chǎn)生巨大的影響。
c.絕緣強(qiáng)度
用于焊接半導(dǎo)體芯片的陶瓷基板的厚度和類型，以及軟模的特性將在很大程度上影響SEMITRANS模塊的絕緣強(qiáng)度。
d.開關(guān)電感LCE及其實(shí)際效果
電感LCE對(duì)IGBT關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的過電壓來說是一個(gè)重要的參數(shù)
在實(shí)際中，高電感與關(guān)斷期間所產(chǎn)生的過電壓一樣，都是不利的。高電感意味著器件的最大反向電壓會(huì)很快達(dá)到，尤其在高直流母線電壓的情況下。例如，當(dāng)在甩負(fù)荷或在功率回饋模式下。當(dāng)使用低電感模塊時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)高可靠性和最高效率。模塊電感對(duì)最大關(guān)斷電流的影響如圖3 所示，圖中顯示了SEMITRANS3和與其作對(duì)比的不同形狀封裝“C”之間的差異。由于模塊的電感小，SEMITRANS3在芯片的最大反向電壓達(dá)到之前可切換的電流值要比“C”高30%。受益于主端子加上用于DCB的對(duì)稱并聯(lián)設(shè)計(jì)，SEMITRANS模塊可實(shí)現(xiàn)低電感（請(qǐng)注意，由于模塊電感，半導(dǎo)體芯片上實(shí)際產(chǎn)生的電壓永遠(yuǎn)高于端子上產(chǎn)生的電壓）。
e.并聯(lián)時(shí)芯片的對(duì)稱電流分布
SEMITRANS模塊中，并聯(lián)的芯片（IGBT 和二極管）多達(dá)8個(gè)（見表2）。二極管并聯(lián)尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)閂f的負(fù)溫度系數(shù)會(huì)降低額定電流。為此，SEMIKRON開發(fā)了定制解決方案，滿足高功率應(yīng)用（為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功率分配進(jìn)行了優(yōu)化）及高直流環(huán)母線電壓應(yīng)用（在關(guān)斷時(shí)動(dòng)態(tài)過電壓限制）。
f.多模塊的并聯(lián)
對(duì)于幾個(gè)模塊并聯(lián)的情況，功率降額必須盡可能低。此時(shí)，IGBT參數(shù)VCEsat的正溫度系數(shù)具有正面的影響。對(duì)于二極管的情況，可以采取3.5中描述的那些步驟。SEMITRANS模塊中降額系數(shù)介于90%和95%之間。
展望未來
得益于采用了第四代溝槽柵IGBT和CAL 二極管的新1 200 V模塊，SEMITRANS IGBT模塊將能夠續(xù)寫其成功應(yīng)用案例。與同功率等級(jí)的其它模塊相比，新系列模塊所帶來的性能提升不僅取決于采用了新一代的芯片，而且還取決于低的端電阻和相對(duì)較低的雜散電感。
