【導(dǎo)讀】本文介紹了針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化的全新1200 V IGBT和二極管技術(shù)。該IGBT結(jié)構(gòu)基于全新微溝槽技術(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)相比，可大幅減少靜態(tài)損耗，并具備高可控性。而二極管因?yàn)閮?yōu)化了場(chǎng)截止設(shè)計(jì)，其振蕩發(fā)生的可能性大幅降低。在功率模塊中，IGBT和二極管的出色性能可帶來(lái)更高的電流密度和更大的輸出電流。不僅如此，通過(guò)將功率模塊的最高結(jié)溫提升到175 °C，輸出電流可增加50%以上。
引言
在現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件中，提高開(kāi)關(guān)速度、開(kāi)關(guān)頻率和功率密度是大勢(shì)所趨。然而，由于不同具體應(yīng)用對(duì)器件性能需求有差異，在某些應(yīng)用中，對(duì)制衡開(kāi)關(guān)速度的其他性能，有更高優(yōu)先級(jí)的需求。就電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用特性而言，由于電機(jī)和電纜的固有隔離，導(dǎo)致其面臨著開(kāi)關(guān)速度受限的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。即開(kāi)關(guān)斜率（dv/dt）被限制在2 - 10kV/μs的范圍內(nèi)，典型目標(biāo)為5kV/μs。此外，用戶采用的典型開(kāi)關(guān)頻率（fSW）也低于8kHz。這兩點(diǎn)改變了器件開(kāi)發(fā)時(shí)參數(shù)優(yōu)化的優(yōu)先級(jí)，快速開(kāi)關(guān)和高開(kāi)關(guān)頻率需求的重要性有所減弱。簡(jiǎn)而言之，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)而言，降低靜態(tài)損耗成為了功率半導(dǎo)體的發(fā)展重點(diǎn)，開(kāi)關(guān)損耗變得次要了。
本文圍繞英飛凌IGBT7和EmCon7展開(kāi)分析和討論。主要基于三個(gè)基本概念：首先，IGBT7技術(shù)可最大限度地減少靜態(tài)損耗，同時(shí)提高開(kāi)關(guān)參數(shù)的可控性，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用所需的最優(yōu)特性；其次，全新EmCon7能夠?qū)崿F(xiàn)更干凈的開(kāi)關(guān)，即減少振蕩，同時(shí)降低功率損耗；第三，則是基于優(yōu)化功率模塊設(shè)計(jì)，將暫態(tài)的最高允許結(jié)溫（TJ）提高至175°C時(shí)，使IGBT和二極管能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的過(guò)載運(yùn)行需求?；谶@些IGBT和二極管概念，本文介紹了在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)器件性能調(diào)節(jié)的思路，展示了IGBT和二極管之間潛在的相互依賴關(guān)系，指出了它們給電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用帶來(lái)的主要優(yōu)勢(shì)。最后，本文還著重說(shuō)明了IGBT7與標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)相比所做的改進(jìn)，并進(jìn)行了全面比較。
IGBT7技術(shù)介紹
本章節(jié)將圍繞IGBT7技術(shù)展開(kāi)介紹、討論和分析。IGBT7采用了基于新型微溝槽（MPT）的IGBT結(jié)構(gòu)。它采用基于n-摻雜的襯底的典型垂直IGBT設(shè)計(jì)，p基區(qū)內(nèi)的n型重?fù)诫s構(gòu)成了發(fā)射極接觸結(jié)構(gòu)。通過(guò)在電隔離的溝槽刻蝕接觸孔，確定了溝道和柵極。在n-襯底的底部，通過(guò)p+摻雜實(shí)現(xiàn)了集電極區(qū)。在n-襯底和和p+之間，通過(guò)n+摻雜實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)截止（FS）結(jié)構(gòu)。它可以使電場(chǎng)急劇下降，同時(shí)會(huì)影響器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。
圖1 MPT結(jié)構(gòu)示意圖及其采用的溝槽設(shè)計(jì)：有效溝道溝槽（中），無(wú)效的柵極溝槽（左上）以及發(fā)射極溝槽（左下）
不同于IGBT4等主流器件，IGBT7里的溝槽有多種形式：其中最常見(jiàn)的是作為有源柵極使用。在這種情況下，柵極電壓施加到溝槽，在溝槽兩側(cè)形成導(dǎo)電溝道。其次，MPT結(jié)構(gòu)還能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射極溝槽和偽柵極，兩者都是無(wú)效溝槽。對(duì)于發(fā)射極溝槽來(lái)說(shuō)，溝槽直接接到發(fā)射極電位。對(duì)于偽柵極來(lái)說(shuō)，柵極電壓施加到溝槽。但是因?yàn)檫@些溝槽周?chē)鷽](méi)有發(fā)射極接觸結(jié)構(gòu)，二者均無(wú)法形成導(dǎo)電溝道。這三種溝槽單元類(lèi)型能夠精細(xì)化定制IGBT。
通過(guò)增加有源柵極密度，能夠增加單位芯片面積上的導(dǎo)電溝道。一方面,由于器件輸出特性曲線更陡，可降低靜態(tài)損耗。另一方面，更高的有源柵極密度，可能導(dǎo)致短路耐受性降低。而如果使用發(fā)射極溝槽和偽柵極，情況將有所不同。增加的無(wú)效溝道密度減少了有效導(dǎo)電溝道的數(shù)量，抵消了上述影響。除此之外，發(fā)射極溝槽和偽柵極改變了芯片的電容耦合。具體來(lái)講，單位芯片面積上的的偽柵極與有源柵極數(shù)量增加，使得柵極-發(fā)射極電容（CGE）增加。反之，更多的發(fā)射極溝槽導(dǎo)致集電極-發(fā)射極電容（CCE）增加。于是，發(fā)射極溝槽的數(shù)量相比有源柵極和偽柵極的數(shù)量確定了集電極-柵極電容（CCG），即米勒電容?？偠灾?，開(kāi)關(guān)參數(shù)，尤其是IGBT7的可控性直接取決于所選設(shè)計(jì)，即取決于有源柵極、偽柵極和發(fā)射極溝槽的數(shù)量。
圖 2 不同單元設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的IGBT7動(dòng)態(tài)折衷曲線 （TJ = 175 °C時(shí)的Etot和TJ = 25 °C 時(shí)的dv/dtmax,ON）。驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的dv/dtmax,ON = 5 kV/μs由虛線突出表示。插圖：不同器件設(shè)計(jì)的電容CCG，CGE與CΣ比值。
通過(guò)柵極電阻控制dv/dt會(huì)影響總損耗（Etot），并導(dǎo)致Etot隨dv/dt降低而增加。器件設(shè)計(jì)對(duì)可控性的影響的進(jìn)一步分析可見(jiàn)圖2，圖2顯示了四種元胞設(shè)計(jì)的Etot VS dv/dt曲線，即額定電流（Inom）下，TJ = 175 °C時(shí)的導(dǎo)通損耗（EON）、關(guān)斷損耗（EOFF）和恢復(fù)損耗（EREC）的總和，對(duì)比在0.1·Inom，TJ=25°C時(shí)，開(kāi)通過(guò)程的最大電壓斜率（dv/dtmax,ON）。dv/dtmax,ON 之所以在0.1·Inom 和 TJ = 25 °C條件下進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)樽疃傅膁v/dt通常是在這些運(yùn)行條件下觀察到的。RG取值從高dv/dtmax,ON下的小RG值到低dv/dtmax,ON 下的大RG值之間變化。通過(guò)比較這四種元胞設(shè)計(jì)，我們可以清楚地發(fā)現(xiàn)，只有設(shè)計(jì)1提供了13kV/μs的 dv/dtmax,ON可控范圍，同時(shí)Etot增加不到25%，這也是目前關(guān)鍵應(yīng)用范圍內(nèi)最低的Etot。在較大的dv/dtmax,ON下，設(shè)計(jì)2和4可提供類(lèi)似的Etot，但是dv/dtmax,ON都大于5kV/μs。在這兩種設(shè)計(jì)中，CCG的影響尤為明顯：盡管CGE/CΣ（CΣ= CGE + CCG+ CCE）的比率相同，但設(shè)計(jì)4的CCG 只有設(shè)計(jì)2的一半。因此，CCG是影響可控性的主要因素。另一方面，設(shè)計(jì)3能夠提供高可控性且dv/dtmax,ON的變化范圍廣，但在相同的dv/dtmax,ON變化范圍內(nèi)，如2-10kV/μs之間，設(shè)計(jì)3的Etot明顯大于設(shè)計(jì)1。設(shè)計(jì)3的這種表現(xiàn)，是因?yàn)槠溆性礀艠O密度高于設(shè)計(jì)1，而CCG低于設(shè)計(jì)1。因此，設(shè)計(jì)3也無(wú)法滿足目標(biāo)應(yīng)用的要求。本文僅建議在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中采用設(shè)計(jì)1，即IGBT7的目標(biāo)設(shè)計(jì)。
圖3 VDC= 600 V ，TJ,max時(shí)，IGBT4和IGBT7的開(kāi)關(guān)曲線。其中，綠色代表IGBT4，藍(lán)色代表IGBT7；開(kāi)通以細(xì)線表示而關(guān)斷以粗線表示；虛線對(duì)應(yīng)于VCE，實(shí)線對(duì)應(yīng)于IC/Inom。插圖為T(mén)J = 150 和175 °C，VDC= 800 V時(shí)的IGBT7短路開(kāi)關(guān)曲線。
現(xiàn)在，我們將重點(diǎn)放在IGBT7的目標(biāo)設(shè)計(jì)上，人們可能會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn)：如何通過(guò)提高可控性來(lái)影響開(kāi)關(guān)特性和短路魯棒性？圖3顯示了IGBT7以及主流的參考器件（IGBT4）的開(kāi)關(guān)曲線。兩個(gè)器件均在600 V直流母線電壓（VDC）和相等的L·Inom下工作。選取合適的RG，使兩個(gè)器件均滿足TJ = 25 °C，0.1·Inom 時(shí)dv/dtmax,ON= 5 kV/μs。兩個(gè)器件均顯示出干凈的關(guān)斷曲線，不過(guò)IGBT7的的過(guò)壓峰值（Vpeak）較小。導(dǎo)通時(shí)也是如此，二者均未顯示出振蕩特性。IGBT7的峰值電流比IGBT4更明顯，但是電壓下降更快。這兩種效應(yīng)都與IGBT7可控性的改善有著直接關(guān)系，可解釋如下：開(kāi)關(guān)期間，內(nèi)部電容耦合導(dǎo)致器件的dv/dt可控。開(kāi)關(guān)即將結(jié)束時(shí)，發(fā)生電荷再分配，從而導(dǎo)致明顯的第二次電流峰值。在此期間，電壓斜率減小并且出現(xiàn)上述電壓拖尾，這與二極管性能無(wú)關(guān)，也與寄生導(dǎo)通效應(yīng)無(wú)關(guān)。圖3的插圖顯示了IGBT7的短路開(kāi)關(guān)曲線。顯然，IGBT7提供了干凈的短路開(kāi)關(guān)，即使在TJ = 175 °C時(shí)，也可承受標(biāo)準(zhǔn)的短路時(shí)間，如在TJ = 150 和175 °C時(shí)短路時(shí)間分別為8 和 6 μs 。
圖4 不同溫度條件下IGBT4 和IGBT7的折衷曲線圖。插圖：IGBT4和IGBT7 在TJ = 25 和 150 °C 時(shí)Etot和IC/Inom的對(duì)比。
圖4顯示了IGBT4和IGBT7折衷曲線。分別給出了Inom下，TJ = 25 - 150 °C 和 TJ= 25 - 175 °C（以25 °C為步長(zhǎng)）期間的集電極-發(fā)射極飽和壓降（VCEsat）VS EOFF曲線。TJ = 150 °C 時(shí)，IGBT7的靜態(tài)損耗比IGBT4小500 mV，而EOFF區(qū)別較小。因此，在動(dòng)態(tài)損耗相當(dāng)?shù)那闆r下，IGBT7的靜態(tài)損耗明顯更小。這突顯出了新元胞設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。MPT結(jié)構(gòu)允許大大提高器件漂移區(qū)載流子濃度，在保持類(lèi)似關(guān)斷性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了極低的靜態(tài)損耗。圖4的插圖顯示了TJ = 25 和 150 °C，dv/dtmax,ON = 5 kV/μs時(shí)，IGBT4 和IGBT7的Etot與工作電流的關(guān)系。兩種組合都顯示出Etot典型的拋物線特性。特別是在TJ = 150 °C時(shí)，IGBT7 和IGBT4的Etot最大偏差小于15%。因此，由于靜態(tài)損耗顯著降低，IGBT7在典型應(yīng)用條件下具有明顯優(yōu)勢(shì)。
EmCon7技術(shù)介紹
在深入了解了IGBT7技術(shù)后，本文接下來(lái)將重點(diǎn)放在新一代二極管上。如圖5所示，EmCon7的設(shè)計(jì)基于垂直P(pán)IN二極管結(jié)構(gòu)。低摻雜（n-）襯底形成PIN二極管的漂移區(qū)，頂部的p摻雜區(qū)形成二極管的陽(yáng)極結(jié)構(gòu)。底部有一個(gè)更強(qiáng)的n摻雜（n+）區(qū)，形成了二極管的陰極。在n- 漂移區(qū)和 n+ 陰極區(qū)之間，合適濃度的n型摻雜實(shí)現(xiàn)了FS結(jié)構(gòu)。
圖5 基于PIN結(jié)構(gòu)的二極管設(shè)計(jì)示意圖
我們都知道，器件的阻斷電壓（VR）和關(guān)斷軟度很大程度上受FS設(shè)計(jì)的影響。為了研究FS和二極管性能的相互作用，本文將圍繞三種設(shè)計(jì)展開(kāi)分析，并與主流的EC4二極管進(jìn)行性能比較。所選FS設(shè)計(jì)思路如下：FS設(shè)計(jì)1和FS設(shè)計(jì)2處于同一個(gè)設(shè)計(jì)折衷曲線。其中，F(xiàn)S設(shè)計(jì)1是最激進(jìn)的設(shè)計(jì)，它結(jié)合了更高的阻斷電壓和更低的軟度。FS設(shè)計(jì)2對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)方法，能夠提供適度的阻斷電壓和軟度。FS設(shè)計(jì)3是一種優(yōu)化型設(shè)計(jì)，可在相同的阻斷電壓下，實(shí)現(xiàn)更高的軟度，從而實(shí)現(xiàn)新的折衷曲線。
圖6：左：VDC ≤ 900 V，1/10 · Inom 且TJ = 25 °C時(shí)，EC4與三種研究FS設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)曲線。右：與EC4相比，不同F(xiàn)S設(shè)計(jì)的VR 。
為了研究FS設(shè)計(jì)和性能之間的影響，本文對(duì)三種設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)曲線展開(kāi)了分析。圖6顯示了基于三種不同設(shè)計(jì)的新的二極管與EC4相比的二極管恢復(fù)特性。對(duì)二極管來(lái)說(shuō)，高VDC是最嚴(yán)酷的開(kāi)關(guān)條件。這時(shí)二極管的軟度達(dá)到最低，可能導(dǎo)致開(kāi)關(guān)期間產(chǎn)生更嚴(yán)重的振蕩和更高的Vpeak。因此，測(cè)量時(shí)，VDC增至900V，所有二極管在TJ = 25 °C，二極管電流（Id）為1/10 · Inom時(shí)開(kāi)關(guān)。測(cè)試采用的L·Inom = 8000 nHA。圖6顯示了開(kāi)關(guān)曲線（左），以及與EC4技術(shù)相比，上述設(shè)計(jì)的最大阻斷電壓（右）。EC4在振蕩和過(guò)壓方面表現(xiàn)出良好的開(kāi)關(guān)特性。盡管出現(xiàn)了過(guò)電壓，但過(guò)電壓峰值小于60V，因此避免了損壞二極管。只有在電流換向的最后，才在拖尾電流區(qū)域中看出輕微的振蕩。參考EC4的特性，對(duì)上述FS設(shè)計(jì)的評(píng)估總結(jié)如下：FS設(shè)計(jì)1開(kāi)關(guān)性能最差。與EC4的尖峰電壓相比，其Vpeak增加了一倍以上，劇烈的關(guān)斷振蕩不僅發(fā)生在拖尾電流中，同時(shí)還發(fā)生在清除二極管電荷載流子后。除此之外，有必要說(shuō)明的是，由于可能的過(guò)電壓損壞，器件無(wú)法在VDC=900V下工作。因此，我們僅對(duì)FS設(shè)計(jì)1分析到VDC = 800 V。FS 設(shè)計(jì)2提供的開(kāi)關(guān)特性幾乎與參考器件一致。它出現(xiàn)了較小的Vpeak，僅在拖尾電流中發(fā)生關(guān)斷振蕩。關(guān)斷振蕩的幅度也與參考器件相當(dāng)。FS設(shè)計(jì)3展示出了最出色的開(kāi)關(guān)性能，而且要比參考器件更好。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，沒(méi)有觀察到關(guān)斷振蕩和明顯的Vpeak。從這個(gè)角度來(lái)看，F(xiàn)S設(shè)計(jì)3是EC7的目標(biāo)設(shè)計(jì)。
圖6顯示了研究中的不同F(xiàn)S設(shè)計(jì)和EC4最大阻斷電壓的對(duì)比（右）。與EC4相比，F(xiàn)S設(shè)計(jì)1阻斷電壓增加了85 V，其他兩種設(shè)計(jì)的阻斷電壓幾乎相同。由此，我們可以將觀察到的開(kāi)關(guān)特性差異，闡述如下：與FS設(shè)計(jì)2相比，F(xiàn)S設(shè)計(jì)1的空間電荷區(qū)明顯地穿通到FS區(qū)中。因此阻斷電壓增加，同時(shí)導(dǎo)致振蕩加劇。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)FS設(shè)計(jì)在折衷曲線上位置，器件性能便從高阻斷電壓和低軟度變?yōu)榈妥钄嚯妷汉透哕浂?。如FS設(shè)計(jì)3所示，利用偏移的折衷曲線，軟度甚至在阻斷電壓略有增加的情況下有所改善。圖7顯示了TJ = 25 °C，VDC= 300, 600, 800, 和 900V，1/10 · Inom 時(shí)，EC4和EC7的開(kāi)關(guān)曲線。和預(yù)期一樣，不論在何種情況下，EC7都提供了更軟的開(kāi)關(guān)和更低的Vpeak。
圖7 VDC = 300, 600, 800 及 900 V，1/10 · Inom ，TJ = 25 °C時(shí)，EC4和 EC7的開(kāi)關(guān)曲線。
圖8顯示了EC4和EC7的折衷曲線。EC4和EC7在不同Inom下的正向電壓（Vf），分別在TJ = 25 - 150 °C和TJ = 25- 175 °C（步長(zhǎng)25 °C）的溫度范圍內(nèi)顯示。同時(shí)給出了在對(duì)應(yīng)Inom和溫度范圍的EREC。此外， 通過(guò)選擇合適的Rg，EREC在dv/dtmax,ON = 5 kV/μs進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)比較這兩種二極管技術(shù)，我們發(fā)現(xiàn)TJ ≥ 150 °C 時(shí)，EC7的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗要低于EC4。盡管EC7在TJ = 25 °C時(shí)，靜態(tài)損耗略大，但在TJ ≤ 50 °C時(shí)，觀察到折衷曲線的交叉點(diǎn)。因此，在典型的應(yīng)用范圍內(nèi)，EC7技術(shù)在靜態(tài)損耗和EREC方面要優(yōu)于EC4技術(shù)。插圖顯示了測(cè)得的EC4、EC7以及上述FS設(shè)計(jì)的Vpeak（色碼與圖6相同）。這些結(jié)果再次突顯了與所選FS研究設(shè)計(jì)以及EC4技術(shù)相比，EC7技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)。
圖8 Inom下顯示了的EREC和Vf的EC4和EC7技術(shù)的折衷曲線。插圖：ID = 1/10 · Inom TJ = 25 °C，不同VDC下的EC4, EC7以及另外兩個(gè)FS設(shè)計(jì)的Vpeak。
以上就是對(duì)IGBT7以及EmCon7芯片技術(shù)的解析。再先進(jìn)的芯片，也要封裝在模塊中才能為我們所用，所以下節(jié)我們將對(duì)比IGBT4和IGBT7功率模塊的性能特點(diǎn)，敬請(qǐng)期待！
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