第 7 代“X 系列”产业用 RC-IGBT 模块

2019-11-14 14:50:59 Westpac Electronics
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极管 FWD 单芯片化的 RC-IGBT(Reverse-Conducting IGBT :逆导型 IGBT),开发出了产业用 RC-IGBT 模块。同时, 通过运用和优化第 7 代“X 系列”的技术,大幅降低了损耗和热阻,提升了可靠性。这些技术革新,扩大了额定电流,实现了 高功率密度化和小型化,这是旧型 IGBT 和 FWD 的组合难以实现的。 山野 彰生 YAMANO, Akio 高桥 美咲 TAKAHASHI, Misaki 市川 裕章 ICHIKAWA, Hiroaki 7th-Generation “X Series” RC-IGBT Module for Industrial Applications 第 7 代“X 系列”产业用 RC-IGBT 模块 1 引言 近年来,为防止全球气候变暖,打造安全、安心、可持 续的社会,能够高效利用能源、为节能做贡献的电力电子技 术备受期待。其中,作为产业、民生、汽车、可再生能源等 多个领域中使用的电力转换装置的关键元件,功率半导体的 需求日益增加。 富士电机自 1988 年实现功率半导体 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块的产品化以来,通过了多 项技术革新,推进了 IGBT 模块的小型化、低损耗化和高可 靠性化,为电力转换装置的小型化、低成本化和高性能化做 出了贡献。但是,如果想要 IGBT 模块进一步小型化,功率 密度就会增加,这会引发 IGBT 和回流二极管 FWD(Free Wheeling Diode)运行温度上升,并导致可靠性降低,造 成危险。为此,为保持高可靠性,同时实现 IGBT 模块的小 型化,芯片和封装的技术革新是不可欠缺。 富士电机进行芯片和封装的技术革新,实现了第 7 代 “X 系列”IGBT 模块的产品化⑴ , ⑵ 。并开发了将 IGBT 和 FWD 单芯片化的 RC-IGBT(Reverse-Conducting IGBT :逆 导型 IGBT),从而开发出了搭载第 7 代“X 系列”产业用 RC-IGBT 模块⑶ , ⑷ 。通过运用第 7 代 X 系列的芯片技术,优 化芯片结构,在保持产生的损耗与 X 系列 IGBT 和 X 系列 FWD 组合使用时相同的情况下,减少了芯片数量和总芯片 面积。并且,通过组合第 7 代 X 系列的封装技术和 RCIGBT,还降低了热阻,提升了可靠性。这些技术革新,实 现了 IGBT 模块进一步的高功率密度化和小型化,这是旧型 IGBT 和 FWD 的组合难以实现的。 2 特点 2.1 “X 系列”产业用 RC-IGBT 的特点 旧型 IGBT 通过对栅极外加电压,使得仅集电极到发射 极的方向有电流通过。变频器作为电力转换装置而被广泛使 用,其负载元件电感器由于自诱导作用,在妨碍电流变化的 方向产生感应电动势。因此,要想在断开 IGBT 时,同一方 向仍有电流通过,必须以反并联的方式连接 FWD 和 IGBT, 使电流反向流动。对此,“X 系列”产业用 RC-IGBT(X 系 列 RC-IGBT)通过使用 RC-IGBT,以一个元件实现了上 述要求(图 1)。 图 2 中 展 示 了 X 系 列 RC-IGBT 的 截 面 图。X 系 列 RC-IGBT 是运用了第 7 代 X 系列 IGBT 的芯片技术,表面 采用沟槽栅结构,背面采用电场终止(FS)层结构的 IGBT。 X 系列 RC-IGBT 和 X 系列 IGBT 一样,通过在第 6 代“V 系列”IGBT 的基础上进一步微细化,并优化表面结构,大幅 削减了影响到导通损耗的集电极 -发射极间饱和电压V CE(sat)。 并且,通过运用最先进的薄晶圆加工技术,改善了饱和电压 IGBT RC-IGBT 发射极 栅极 集电极 阳极 发射极 (FWD) IGBT 区域 FWD 区域 (IGBT) 栅极 阴极 集电极 FWD 图 1 “X 系列”RC-IGBT 的简图和等效电路 23(23) 第 7 代“X 系列”产业用 RC-IGBT 模块 专辑 :有助于能源管理的功率半导体 富士电机技术期刊 2017 Vol.C9 No.1 和关断时的开关损耗的均衡关系。X 系列 RC-IGBT 内置于 FWD 区域内,因此,在集电极侧具有 pn 接合。因此,追 加了背面图样形成和杂质层形成工序,在同一芯片的背面形 成了 IGBT 集电极侧的 p 型层和 FWD 阴极侧的 n 型层。还 通过优化寿命控制,改善了均衡特性。 2.2 电气特性 图 3 中 展 示 了 1200 V X 系 列 RC-IGBT 的 输 出 特 性。X 系列 RC-IGBT 能用一块芯片向正向(IGBT)和反 向(FWD)的两方向输出电流。通过运用第 7 代 X 系列 的芯片技术,实现了比 V 系列 IGBT 更低的饱和电压。另 外,RC-IGBT 通过向 FWD 区域的阴极层注入电子,使得 IGBT 集电极层的电动注入受到抑制,很难发生电导率调制。 因此,有报告称在低饱和电压区域中会发生骤回现象⑸ , ⑹ 。针对 这一问题,X 系列 RC-IGBT 通过对芯片的各结构进行优化, 消除了骤回现象。 X 系列 RC-IGBT 的关断波形如图 4 所示,开通波形 如图 5 所示,反向恢复波形如图 6 所示。从图 4 可以看出, X 系列 RC-IGBT 的浪涌电压,与 V 系列 IGBT 和 V 系列 FWD 的组合、X 系列 IGBT 和 X 系列 FWD 的组合是相同 的。并且,尾电流小于 V 系列 IGBT 和 V 系列 FWD 的组合, 关断损耗Eoff 降低 23%,观测不到异常波形。X 系列 RCIGBT 为改善特性,相比 V 系列 IGBT 和 V 系列 FWD 的组 合,采用了更薄的晶圆。因为使用薄晶圆,关断时的振动和 耐压的降低令人担忧,但 X 系列 RC-IGBT 通过优化晶圆 的电阻率和各结构,抑制了振动和耐压的降低。如图 5 和图 6 所示,V 系列 IGBT 和 V 系列 FWD 的组合会产生剧烈的 波形,而 X 系列 RC-IGBT 通过优化寿命控制,实现了更 加柔和的电流波形。由于反向恢复电流的峰值I rrm 和尾电流 的降低,反向恢复损耗 Err 减少了 20%。另外,开通波形 和反向恢复波形都观测不到异常波形。 图 7 中展示了以相同活性面积比较的 IGBT 的均衡特性。 图中 X 系列 RC-IGBT 的各点代表了凭借寿命控制的变更, 而对均衡特性进行调整后的结果。X 系列 RC-IGBT 在相 IGBT 区域 FWD 区域 n p+ + n+ n+ n+ n+ 电场终止层 图 2 “X 系列”RC-IGBT 的截面图 V 系列 IGBT X 系列 IGBT X 系列 FWD V 系列 FWD X 系列 RC-IGBT IGBT(I C>0) FWD(I C<0) 条件:以相同活性面积比较 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 导通电压 VCE(sat)(V),正向导通电压 Vf (V) 200 150 100 50 0 -50 -150 -100 -200 集电极电流 I (A) C 图 3 “X 系列”RC-IGBT 的输出特性 400 600 800 1000 1200 1400 1600 时间(ns) 1200 1000 800 600 400 200 0 -200 300 250 200 150 100 50 0 -50 集电极−发射极间电压 VCE(V) 集电极电流 I (C A) VCE IC X 系列 IGBT+X 系列 FWD V 系列 IGBT+V 系列 FWD X 系列 RC-IGBT 图 5 “X 系列”RC-IGBT 的开通波形 400 600 800 1000 1200 1400 1600 时间(ns) 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 -200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 阳极−阴极间电压 VAK(V) 正向导通电流 I(f A) If VAK X 系列 IGBT+X 系列 FWD V 系列 IGBT+V 系列 FWD X 系列 RC-IGBT 图 6 “X 系列”RC-IGBT 的反向恢复波形 400 600 800 1000 1200 1400 1600 时间(ns) 1200 1000 800 600 400 200 0 -200 300 250 200 150 100 50 0 -50 集电极−发射极间电压 VCE(V) 集电极电流 I (C A) X 系列 IGBT+X 系列 FWD V 系列 IGBT+V 系列 FWD VCE IC X 系列 RC-IGBT 图 4 “X 系列”RC-IGBT 的关断波形 24(24) 第 7 代“X 系列”产业用 RC-IGBT 模块 专辑 :有助于能源管理的功率半导体 富士电机技术期刊 2017 Vol.C9 No.1 同开关损耗下,相比 V 系列 IGBT,饱和电压改善了 0.5 V。 同时,还有望实现与 X 系列 IGBT 相同的 IGBT 特性。 图 8 中展示了以相同活性面积比较的 FWD 的均衡特性。 图中 X 系列 RC-IGBT 的各点与图 7 一样,为对均衡特性 进行调整后的结果。X 系列 RC-IGBT 在相同开关损耗下, 相比 V 系列 FWD,正向导通电压改善了 0.3 V。同时,还 有望实现与 X 系列 FWD 相同的 FWD 特性。 2.3 热特性 X 系列 RC-IGBT 通过对 IGBT 和 FWD 单芯片化,以 整个芯片对 IGBT 区域或 FWD 区域中产生的损耗导致的发 热进行散热。因此,有望降低热阻。并且,为进一步降低热 阻,作为第 7 代 X 系列的封装技术,采用了全新的 AlN(氮 化铝)绝缘基板。 AlN 绝缘基板热导率高,因此热阻低,但抗弯强度低, 因此通过采用比作为绝缘基板而广泛使用的 Al2O3 (氧化铝) 绝缘基板更厚的陶瓷,实现了实用化。但这其中也存在一项 课题,即若增加基板厚度,会导致热阻和可靠性受损。因此 为改善这些问题,必须实现 AlN 绝缘基板的薄型化。过去, 若对 AlN 绝缘基板进行薄型化,安装工序中可能会出现基 板断裂、绝缘耐量降低的情况,无法实用化。针对这一问题, 富士电机通过调整 AlN 烧结条件,实现高强度化,并通过 调整沿面距离,优化绝缘设计,制造出了成功薄型化的新 AlN 绝缘基板。 图 9 中展示了结点 - 塑壳间热阻。新 AlN 绝缘基板相 比 Al2O3 绝缘基板,相同芯片尺寸下,实现了热阻降低约 45% 的大幅改善。由此解决了 IGBT 模块小型化导致的温 度上升课题。并且,采用优化引线接合和使用高强度焊锡和 高耐热硅胶,确保高可靠性的同时,也实现了 175 ℃下的 连续运行。 3 高功率密度化和小型化 表 1 中 展 示 了 X 系 列 RC-IGBT 的 1200 V/100 A IGBT 模块的比较,图 10 中展示了各模块的耗电量、接合 测定条件:Vf:If=100 A, VGE=+15 V(X 系列 RC-IGBT), Err :VCC=600 V, If=100 A, VGE=+15V/-15 V, 反向恢复 dv/dt=10 kV/µs 条件:以相同活性面积比较 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 FWD 正向导通电压 Vf (V) 15 10 5 0 FWD 反向恢复损耗 E (rr mJ) X 系列 RC-IGBT 改善 0.3V V 系列 FWD X 系列 FWD 图 8 “X 系列”RC-IGBT(FWD)的均衡特性 改善 0.5V V 系列 IGBT X 系列 IGBT X 系列 RC-IGBT 测定条件:VCE(sat) :IC=100 A, VGE=+15 V, Eoff:VCC=600 V, IC=100 A, VGE=+15V/-15 V, 反向恢复 dv/dt=10 kV/µs 条件:以相同活性面积比较 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 接通电压 VCE(sat)(V) 20 15 10 5 0 IGBT 关断损耗 E (off mJ) 图 7 “X 系列”RC-IGBT(IGBT)的均衡特性 0.001 0.01 0.1 1 脉冲宽度(s) 10 1 0.1 0.01 结点至塑壳间热阻(a.u.) Al2O3 绝缘基板 条件:以相同芯片尺寸比较 新 AlN 绝缘基板 图 9 结点至塑壳间热阻 表 1 1200 V/100 A IGBT 模块的比较 项目 X 系列 RC-IGBT 模块 V 系列 IGBT 模块 芯片 X 系列 RC-IGBT V 系列 IGBT+ V 系列 FWD 绝缘基板 新 AlN 绝缘基板 Al2O3 绝缘基板 连续运行温度Tj (℃) 175 150 V 系列 IGBT 模块 X 系列 RC-IGBT 模块 107.0 W Tjmax=124 ℃ 101.7 W 150 100 125 75 50 25 0 电力损耗( W) 计算条件:VCC=600 V, Io=50 A(有效值), Fo=50 Hz, FC=8 kHz, 功率因=0.9, 调制率=1.0, 环境温度 Tair=50℃, Rth(heatsink)=0.085 K/W, 热胶=50 µm, 2 W/(m·K) Psat Poff Pon Pf Prr ΔTjc=16.8℃ Tjmax=134 ℃ ΔTjc=24.3℃ 图 10 1200 V/100 A IGBT 模块下的电力损耗和接合温度 25(25) 第 7 代“X 系列”产业用 RC-IGBT 模块 专辑 :有助于能源管理的功率半导体 富士电机技术期刊 2017 Vol.C9 No.1 温度 Tj 和接合温度的变动 ΔTjc 的计算结果。通过运用第 7 代 X 系列的芯片技术和封装技术,相比过去的 V 系列 IGBT 和 V 系列 FWD 的组合,电力损耗和热阻大幅降低, 确保了高可靠性,同时保证了 175 ℃下的连续运行。另外, 通过使用 X 系列 RC-IGBT,可减少芯片数量和总芯片面积, 有望实现 IGBT 模块的小型化。 因此,凭借运用 RC-IGBT 的芯片技术和第 7 代 X 系 列的芯片技术、封装技术,在相同封装中,可实现比旧型 IGBT 和 FWD 的组合更大的额定电流。 表 2 中额定电压 1200 V 产品阵容中的 Dual XT 和 PrimePACK〈注〉 2,表 3 中展示了其特点。额定电压 1200 V 的 Dual XT 中,V 系列 IGBT 和 V 系列 FWD 的组合的额 定电流上限为 600 A。而凭借第 7 代 X 系列的芯片技术和 封装技术,组合 X 系列 IGBT 和 X 系列 FWD 后,将额定 电流扩大至了 800 A。并且,通过使用 X 系列 RC-IGBT, 以相同封装,可提供额定电流 1000 A 的模块。相比使用 V 系列 IGBT 和 V 系列 FWD 的 PrimePACK2,Dual XT 的模块设置面积减小 40%,且通过使用 X 系列 RC-IGBT, 热阻 Rth(jc)减小 27%。由此,可覆盖过去的 V 系列 IGBT 和 V 系列 FWD 的 PrimePACK2 的领域。 图 11 中展示了使用 V 系列 IGBT 和 V 系列 FWD 的组 合、X 系列 IGBT 和 X 系列 FWD 的组合以及 X 系列 RCIGBT 的各 Dual XT,其变频器运行时的输出电流 I o 和 IGBT 最大接合温度 Tjmax 的计算结果。另外,通过使用 X 系列 RC-IGBT,降低了电力损耗和结点 - 塑壳间热阻。并 且,通过运用第 7 代 X 系列的封装技术,连续运行保证温 度从过去的 150 ℃扩大到了 175 ℃。最终,实现了相同封 装下,比过去更高的电流密度,从而实现了 IGBT 模块进一 步的高功率密度化和小型化。因此,可响应小型化、低损耗 化、高可靠性化等 IGBT 模块所面临的要求。 4 后记 本稿对通过搭载 IGBT 和 FWD 单芯片化后的 RC-IGBT,实现了进一步高功率密度化和小型化的第 7 代“X 系列” 产业用 RC-IGBT 模块进行了介绍。凭借这一模块,可实现 电力转换装置进一步的小型化和成本削减,从而广泛贡献于 社会。本公司今后还会继续推动 IGBT 模块的技术革新,为 实现安全、安心、可持续发展的社会作贡献。

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