1、1 前 言IGBT在诸如变频器尧 电源以及运动控制等功率系统的输出级是非常受欢迎的半导体器件遥 IGBT模块将功率硅片集成在绝缘封装内袁 使其适用的功率范围小到1 kW以下袁大到1 MW以上遥 第1阶段开发的NX系列IGBT模块的封装具有很高的灵活性1遥另外袁减小IGBT模块的功耗是客户期望降低整个系统成本尧降低EMI噪声辐射以及延长寿命的关键遥先进的CSTBTTM 硅片技术为NX系列IGBT模块第2阶段开发提供了很好的解决方案遥2 NX系列IGBT模块通常袁IGBT模块被设计成各种尺寸以满足合适的空间和好的性价比袁而且IGBT模块包含了外壳尧底板尧 端子尧 绝缘部分以及功率硅片等许多封装部件
2、遥 NX系列采用统一的封装部件和通用的封装工艺实现了容量范围大且能提供各种电路拓扑结构的模块遥 除了1单元尧2单元尧7单元和CIB中整流鄄逆变鄄制动结构外袁 还可以按照客户的要求定制模块遥各种封装类型可将各种电路灵活地封装到母板上并能灵活设计端子结构遥3 硅片技术3.1 IGBT硅片工艺优良指数渊FigureofMerit袁简称FOM冤的定义为院在结温Tj=125 益时袁FOM=Jc /渊Vcesat Eoff冤袁其中袁Jc为硅片电流密度曰V cesat 为饱和压降曰Eoff为关断损耗遥CSTBTTM比沟槽型IGBT的FOM高遥第6代IGBT的FOM比第5代的高30%遥3.2 第6代IGBT第
3、 6 代 IGBT 硅片是基于CSTBTTM 技术研发的遥图1示出它和第5代IGBT硅片的剖面图遥两代硅片都有载流子存储层袁 第6代IGBT硅片用薄晶片工艺技术将非穿通结构改为轻穿通结构2袁且通过元胞的优化设计可改善V cesat鄄Eswoff的折衷关系遥采用精细图案工艺缩短元胞单元的间距并优化载流子存储层的掺杂浓度袁 从而加强了载流子存储层存储载流子的效果3遥 V cesat鄄Eswoff折衷关系得到显著改善袁如图2所示遥采用第6代IGBT硅片的IGBT模块TaketoNishiyama袁 YujiMiyazaki渊三菱电机功率器件福冈制作所袁日本 福冈 819鄄0192冤摘要院从2007年
4、开始上市的最新NX系列绝缘栅双极型晶体管渊InsulatedGateBipolarTransistor袁简称IGBT冤模块袁采用统一的封装和功率硅片袁其端子和电路结构具有前所未有的灵活性遥在NX系列开发的第1阶段袁采用的第5代载流子存储式沟槽型双极型晶体管渊CarrierStoredTrenchGateBipolarTransistor袁简称CSTBTTM冤硅片技术实现了高效性能遥 介绍在NX系列开发的第2阶段所采用的1.2kV第6代IGBT硅片技术遥 新的第6代IGBT模块进一步提高了效率并降低了噪声袁从而拓宽了客户的应用范围遥关键词院模块 / 绝缘栅双极型晶体管曰载流子存储式沟槽型双极型晶
5、体管中图分类号院TM46 文献标识码院A 文章编号院1000-100X渊2009冤09-0000-00TheIGBTModulewith6thGenerationIGBTChipTaketoNishiyama袁 YujiMiyazaki渊PowerDeviceWorks袁 MitsubishiElectricCorporation袁 Fukuoka 819鄄0192袁 Japan冤Abstract院In2007袁thelatestIGBTmodules耶NXseries爷wasstartedtorelease.TheNXserieshasnovelflexibilityofitster鄄min
6、alandcircuitconfigurationbyusingsomeunifiedpackagepartsandpowersemiconductorchips.Inthis1ststepofNXseries袁our5thgenerationIGBTchipthatrealizedhighefficiencycharacteristicsbyusingCSTBTTM chiptechnologyisadopted.Inthispaperthe2ndstepNXserieswith1.2kV6thgenerationIGBTchiptechnologyispresented.Thefurthe
7、rimprovementofefficiencyandlownoisecharacteristicsonthenewdevicewillextendtheapplicationrangeofusers.Keywords院module / InsulatedGateBipolarTransistor曰 CarrierStoredTrenchGateBipolarTransistor定稿日期院2009-7-20作者简介院TaketoNishiyama袁男袁日本人袁研究方向为IGBT模块的设计遥图1 IGBT的剖面图图2 Tj=125 益时袁V cesat和Eswoff的关系1.2kV/150 A
8、IGBT1第43卷第9期2009年9月电力电子技术PowerElectronicsVol.43 No.9Step袁2009另外袁IGBT 的功率损耗与短路安全工作区域渊SCSOA冤间也存在折衷关系遥图3示出第6代IGBT的实测SCSOA曲线遥 在不牺牲IGBT功耗性能的前提下袁通过优化设计载流子存储层和元胞单元袁成功实现了将短路耐受能力提高到10 滋s遥3.3 新设计的续流二极管最新设计的续流二极管 渊FreeWheelingDiode袁简称FWD冤 和以前的续流二极管的结构如图4所示遥薄晶片工艺技术改善了正向压降V F和反向恢复功耗Eswrec的折衷关系袁如图5所示遥4 开通性能降低开通波形
9、的dv/dt能够很好地抑制设备产生的EMI遥 通常采用控制外接栅极驱动速度来降低开关开通时的dv/dt遥 然而袁降低dv/dt会增加IGBT硅片的开通损耗Eswon遥 图6示出Eswon 和dv/dt的关系遥开关速度可以由改变栅极电阻来调节遥假定客户应用时的 dv/dt=7.5kV/滋s袁 则在此条件下第6代IGBT的Eswon比原有的IGBT低20%遥续流二极管的软反向恢复电流性和IGBT的反向传导电容Cres 可改善Eswon鄄dv/dt的折衷关系遥第6代IGBT具有更大的可选范围袁而且易于控制功耗对应噪声的性能遥5 关断性能在开关关断的时候袁N-层中有很多电子空穴和自由电子遥 因此袁集电
10、极电流不可能被迅速阻断袁而是逐渐减小遥 集电极电流衰减的时间取决于电子的寿命遥 另外袁 第6代IGBT由于采用优化的LPT结构袁从而改善了拖尾电流遥其关断拖尾电流比第5代的小袁因此硅片的关断损耗比第5代的更低遥6 功率损耗性能在模块的额定电压电流值为1.2kV/150 A袁30kW满载袁400VAC条件下袁对通用PWM变频器驱动中应用的第5代和第6代IGBT模块的功率损耗进行了仿真袁栅极电阻值的选取要保证每个器件开通波形的dv/dt为相同值渊7.5kV/滋s冤遥 IGBT/FWD硅片的总的功率损耗包含开关损耗和静态损耗遥 仿真结果表明袁第6代IGBT模块的功率损耗比第5代的低约20%遥7 热仿
11、真在NX 系列2单元模块的额定电压电流值为1.2kV/1kA袁 输入电压为400 V袁185kW变频器满载运行条件下袁 对NX 系列IGBT 模块进行热仿真遥仿真得出袁 第6代IGBT的Tj 比第 5 代的平均低25 益遥 新的续流二极管的Tj比原有的平均低21益遥因此袁采用第6代IGBT模块的设备可以减小散热系统的体积尧重量以及成本遥8 可靠性IGBT模块的寿命通常取决于间歇性运行模式下结温的循环次数遥第6代NX系列IGBT的功率循环次数比H系列高遥 此外袁Tjmax也有所提高遥 第6代NX系列IGBT模块的硅片Tj max=175 益遥 对NX系列IGBT模块分别在Tj max为125益和
12、175 益的条件下进行测试遥 试验表明袁Tj max=175 益的NX系列IGBT模块寿命介于Tj max=125 益的NX系列和H系列IGBT模块的寿命之间遥9 结 论NX 系列IGBT 模块采用最新开发的第6代IGBT和新设计的续流二极管袁使功率损耗和发热比以前的产品更低袁而且可以提高客户应用系统的效率遥另外袁第6代NX系列IGBT模块灵活的封装和优越的性能可很好地拓展客户的应用范围遥 第6代NX系列IGBT模块对于电力电子系统的发展具有很大的潜能遥渊备注院该文由三菱电机机电渊上海冤有限公司负责编译遥 冤参考文献1 ManabuMatsumoto袁etal.TheDevelopmentofNewIGBTMod鄄ulewithTheUnifiedPackageParts.PCIMC.CHINA袁2007.2 TetsuoTakahashi袁etal.CSTBTTM渊III冤 AstheNextGenera鄄tionIGBT袁ISPSDC2008.3KatsumiSatoh袁etal.NewChipDesignTechnologyforNextGenerationPowerModule.PCIMC.Europe2008.图3 SCSOA波形图4 续流二极管的剖面图图5 V F和ESW的关系渊Tj=125 益冤图6 Tj=125 益时袁Eswon和dv/dt的关系2
