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  • 650V IGBT4模塊的性能參數(shù)介紹
    650V IGBT4模塊的性能參數(shù)介紹
  • 650V IGBT4模塊的性能參數(shù)介紹
  •   發(fā)布日期: 2018-10-26  瀏覽次數(shù): 1,536

    1 引言

    2003年,英飛凌公司提出了使用溝槽和場(chǎng)截止技術(shù)的600V IGBT3器件,該產(chǎn)品目前仍然是IGBT器件特性的標(biāo)準(zhǔn)。然而,這種600V IGBT3 主要適合小功率應(yīng)用或者雜散電感很低的大功率應(yīng)用。在器件開啟及關(guān)斷時(shí),雜散電感與電流變化量的結(jié)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(guān)斷時(shí)電感Lσ較大,過壓就會(huì)很高。當(dāng)前,為了給不同電路的大電流應(yīng)用提供更多的選擇,一種全新的芯片——650V IGBT4 已設(shè)計(jì)完成。

     

    2 650V IGBT4的設(shè)計(jì)及技術(shù)

    與600V IGBT3一樣,新的650V IGBT4也是采用了溝槽的MOS-top-cell薄片技術(shù)和場(chǎng)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(guān)斷時(shí)的軟度,同時(shí)獲得了更高的阻斷電壓能力。溝槽和場(chǎng)截止的結(jié)合使通態(tài)損耗和關(guān)斷損耗仍相對(duì)較低。當(dāng)然,上述措施自然也會(huì)引起附加的損耗。為了補(bǔ)償相應(yīng)的影響,背面發(fā)射極的效率增加了50%。 結(jié)果,650V IGBT4器件關(guān)斷時(shí)軟度得以改善,即正向過沖電壓降低,關(guān)斷電流變化率dI/dt減??;同時(shí)阻斷電壓增加到650V。另一方面,正向電壓仍然較低,開關(guān)損耗只有適度的增加。

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    圖1 新型650V IGBT4橫向剖面圖

    與600V IGBT3相比的改進(jìn)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(fā)射極效率。

    3 650V IGBT4的特性

    靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)

    相比于600V IGBT3,新型650V IGBT4器件的飽和電壓VCE,sat有輕微的增加(~100mV),同時(shí)Eoff也有增加,主要原因在于器件具有更軟的開關(guān)行為。如圖2和圖3所示,軟度的改進(jìn)是顯而易見的。

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    圖2在25℃,600A電流關(guān)斷時(shí), 600V IGBT3 (a)和新型650V IGBT4 (b)在關(guān)斷時(shí)的軟度比較(在EconoDUALTM3模塊上測(cè)量)。圖中示出了電壓VCE (黑色曲線)、集電極電流IC(紅色曲線)及柵極-發(fā)射極電壓VGE(綠色曲線)的變化情況,對(duì)于IGBT3,在200V的直流電壓下,已經(jīng)有震蕩發(fā)生;而新型650V IGBT4即使在300V直流電壓下仍表現(xiàn)為軟的開關(guān)特性。

    圖2 中對(duì)EconoDUALTM3的開關(guān)過程進(jìn)行了比較。這種特殊的高電流電路對(duì)600V IGBT3并不太合適。因此,在25℃、200V的直流電壓下,對(duì)600A電流關(guān)斷時(shí), 600V IGBT3會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的過沖電壓VCE,max和階躍震蕩。相反,特別為這種高電流應(yīng)用相對(duì)應(yīng)的模塊類型設(shè)計(jì)的650V IGBT4,即使直流電壓加到300V,仍然顯示出平滑的關(guān)斷特性和很低的過沖電壓VCE,max。

    從圖3可見,通過比較軟度參數(shù)VCE,max和電流變化率dI/dt,兩種器件開關(guān)特性的差異也是很明顯的。我們?cè)?5℃的溫度下,將器件安裝在DBC表面,對(duì)600V IGBT3進(jìn)行了的測(cè)試;對(duì)新型650V IGBT4,則進(jìn)行了幾種不同變體的測(cè)試,包括最終的目標(biāo)設(shè)計(jì)。通過對(duì)600V IGBT3和新型650V IGBT4最終變體的測(cè)量結(jié)果比較,我們可以看出650 IGBT4與600V IGBT3相比,最大過沖電壓VCE,max減小了大約40V,同時(shí)關(guān)斷電流變化率dI/dt下降了20%。

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    圖3 器件關(guān)斷時(shí)軟度參數(shù)的對(duì)比結(jié)果

    包括電流變化率dI/dt和最大過沖電壓VCE,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(shù)據(jù)均為在25℃、在DBC表面、同樣的條件下測(cè)試。對(duì)于新型650V IGBT4的最終變體,最大過沖電壓VCE,max比600 IGBT3減小了大約40V,關(guān)斷電流變化率dI/dt下降了20%。

    另一方面,在關(guān)斷時(shí)更軟的開關(guān)行為必須付出更高的損耗。但是考慮到常規(guī)的開關(guān)頻率,這種損耗增加無關(guān)緊要。該事實(shí)可以在圖4明顯看出:圖4是IPOSIM的模擬結(jié)果。IPOSIM,是Infineon公司設(shè)計(jì)的一種功率仿真程序,可以在Infineon 網(wǎng)站(www.Infineon.com)找到。它可以完成針對(duì)所有組件的開關(guān)和導(dǎo)通損耗的計(jì)算,不但考慮通態(tài)和開關(guān)損失,同時(shí)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(nèi)。而12kHz以下是常規(guī)應(yīng)用典型的開關(guān)頻率范圍。

    650V IGBT4模塊的性能參數(shù)介紹

    圖 4 在600A EconoDUALTM3 的模塊中,電流有效值隨開關(guān)頻率變化的計(jì)算結(jié)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℃,Tvj,op=150℃,cos(φ)=0.85)。

    3.2短路魯棒性

    盡管場(chǎng)截止型場(chǎng)截止型IGBT相對(duì)于非穿通型的設(shè)計(jì)相當(dāng)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(qiáng)。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(yù)算。 另外,溝道寬度的減小降低了短路電流的水平(這種效應(yīng)見于[4])??傊?,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(shí)間而不會(huì)損壞。

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

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    圖5. 650V IGBT4的短路脈沖測(cè)試結(jié)果

    圖中集電極-發(fā)射極電壓VCE(黑色曲線)、集電極電流IC(紅色曲線)、柵極-發(fā)射極電壓VGE(綠色曲線,右側(cè)縱坐標(biāo)),測(cè)試條件:VCE =360V, VGE =±15V, Tvj =150℃。

    4 最大電流

    最大電流是指在在不影響設(shè)備安全狀態(tài)下,所能承受的電流的一個(gè)極限值,一般只是允許短時(shí)間的出現(xiàn),否則會(huì)引起設(shè)備損壞。

    電機(jī)的最大工作電流是電機(jī)可以長時(shí)間工作的工作電流,一般可以達(dá)到額定電流的1.2倍左右,一般由于設(shè)計(jì)功率計(jì)算不當(dāng)而導(dǎo)致電機(jī)選擇偏小,但是在超過額定功率的情況下電機(jī)可以持續(xù)工作,此時(shí)的工作電流是最大工作電流,

    電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流=堵轉(zhuǎn)電流=最大電流,三者是同一數(shù)值。對(duì)于常用的Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)來說,起動(dòng)電流是額定電流的5.5~7.0倍,不同功率、不同轉(zhuǎn)速的電機(jī)略有差別。最大瞬間電流三相交流電是額定電流的1.732倍,兩相交流電是1.414倍。

    最大短路電流則是在設(shè)備承受極限電流之后,在迅速斷開之前,所承受的電流不會(huì)對(duì)設(shè)備造成破壞性損壞的最大瞬間承受電流。

    額定最大電流:設(shè)備在滿足準(zhǔn)確度、安全性、可靠性的同時(shí)允許設(shè)備長期運(yùn)行的最大電流。

    5結(jié)論

    一種特別為大電流應(yīng)用設(shè)計(jì)的IGBT器件——新型650V IGBT4研制成功。該器件可用于相應(yīng)的模塊,例如62mm,EconoDUALTM3和EconoPACKTM4。該IGBT器件的特征在于改善了關(guān)斷的軟度,即顯著減小了過沖電壓VCE,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(guān)斷EconoPACKTM4變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。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(shí)間。新型650V IGBT4 具有更好的開關(guān)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(shí)間,進(jìn)行短路情況下的電流探測(cè)(比如利用開環(huán)Hall 傳感器等)。

    另外,Infineon IGBT模塊內(nèi)部裝配技術(shù)的最優(yōu)化提供了顯著的能量循環(huán)(PC)的改善。這樣至少可以確保在PN 結(jié)工作結(jié)溫Tvj,op=150℃時(shí)有優(yōu)秀的PC壽命預(yù)期,或者在用戶選擇較低結(jié)溫下有更長的PC壽命。650V IGBT4在設(shè)計(jì)工程師使用時(shí)能提供更有效的自由度。

    這種新一代的半導(dǎo)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(jìn),對(duì)不同的應(yīng)用需求,新一代的IGBT4 模塊都將是一個(gè)明智的選擇。


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