第 7 代“X 系列”產業用 RC-IGBT 模塊

2019-11-14 14:50:59 Westpac Electronics
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極管 FWD 單芯片化的 RC-IGBT(Reverse-Conducting IGBT :逆導型 IGBT),開發出了產業用 RC-IGBT 模塊。同時, 通過運用和優化第 7 代“X 系列”的技術,大幅降低了損耗和熱阻,提升了可靠性。這些技術革新,擴大了額定電流,實現了 高功率密度化和小型化,這是舊型 IGBT 和 FWD 的組合難以實現的。 山野 彰生 YAMANO, Akio 高橋 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”產業用 RC-IGBT 模塊 1 引言 近年來,為防止全球氣候變暖,打造安全、安心、可持 續的社會,能夠高效利用能源、為節能做貢獻的電力電子技 術備受期待。其中,作為產業、民生、汽車、可再生能源等 多個領域中使用的電力轉換裝置的關鍵元件,功率半導體的 需求日益增加。 富士電機自 1988 年實現功率半導體 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊的產品化以來,通過了多 項技術革新,推進了 IGBT 模塊的小型化、低損耗化和高可 靠性化,為電力轉換裝置的小型化、低成本化和高性能化做 出了貢獻。但是,如果想要 IGBT 模塊進一步小型化,功率 密度就會增加,這會引發 IGBT 和回流二極管 FWD(Free Wheeling Diode)運行溫度上升,并導致可靠性降低,造 成危險。為此,為保持高可靠性,同時實現 IGBT 模塊的小 型化,芯片和封裝的技術革新是不可欠缺。 富士電機進行芯片和封裝的技術革新,實現了第 7 代 “X 系列”IGBT 模塊的產品化⑴ , ⑵ 。并開發了將 IGBT 和 FWD 單芯片化的 RC-IGBT(Reverse-Conducting IGBT :逆 導型 IGBT),從而開發出了搭載第 7 代“X 系列”產業用 RC-IGBT 模塊⑶ , ⑷ 。通過運用第 7 代 X 系列的芯片技術,優 化芯片結構,在保持產生的損耗與 X 系列 IGBT 和 X 系列 FWD 組合使用時相同的情況下,減少了芯片數量和總芯片 面積。并且,通過組合第 7 代 X 系列的封裝技術和 RCIGBT,還降低了熱阻,提升了可靠性。這些技術革新,實 現了 IGBT 模塊進一步的高功率密度化和小型化,這是舊型 IGBT 和 FWD 的組合難以實現的。 2 特點 2.1 “X 系列”產業用 RC-IGBT 的特點 舊型 IGBT 通過對柵極外加電壓,使得僅集電極到發射 極的方向有電流通過。變頻器作為電力轉換裝置而被廣泛使 用,其負載元件電感器由于自誘導作用,在妨礙電流變化的 方向產生感應電動勢。因此,要想在斷開 IGBT 時,同一方 向仍有電流通過,必須以反并聯的方式連接 FWD 和 IGBT, 使電流反向流動。對此,“X 系列”產業用 RC-IGBT(X 系 列 RC-IGBT)通過使用 RC-IGBT,以一個元件實現了上 述要求(圖 1)。 圖 2 中 展 示 了 X 系 列 RC-IGBT 的 截 面 圖。X 系 列 RC-IGBT 是運用了第 7 代 X 系列 IGBT 的芯片技術,表面 采用溝槽柵結構,背面采用電場終止(FS)層結構的 IGBT。 X 系列 RC-IGBT 和 X 系列 IGBT 一樣,通過在第 6 代“V 系列”IGBT 的基礎上進一步微細化,并優化表面結構,大幅 削減了影響到導通損耗的集電極 -發射極間飽和電壓V CE(sat)。 并且,通過運用最先進的薄晶圓加工技術,改善了飽和電壓 IGBT RC-IGBT 發射極 柵極 集電極 陽極 發射極 (FWD) IGBT 區域 FWD 區域 (IGBT) 柵極 陰極 集電極 FWD 圖 1 “X 系列”RC-IGBT 的簡圖和等效電路 23(23) 第 7 代“X 系列”產業用 RC-IGBT 模塊 專輯 :有助于能源管理的功率半導體 富士電機技術期刊 2017 Vol.C9 No.1 和關斷時的開關損耗的均衡關系。X 系列 RC-IGBT 內置于 FWD 區域內,因此,在集電極側具有 pn 接合。因此,追 加了背面圖樣形成和雜質層形成工序,在同一芯片的背面形 成了 IGBT 集電極側的 p 型層和 FWD 陰極側的 n 型層。還 通過優化壽命控制,改善了均衡特性。 2.2 電氣特性 圖 3 中 展 示 了 1200 V X 系 列 RC-IGBT 的 輸 出 特 性。X 系列 RC-IGBT 能用一塊芯片向正向(IGBT)和反 向(FWD)的兩方向輸出電流。通過運用第 7 代 X 系列 的芯片技術,實現了比 V 系列 IGBT 更低的飽和電壓。另 外,RC-IGBT 通過向 FWD 區域的陰極層注入電子,使得 IGBT 集電極層的電動注入受到抑制,很難發生電導率調制。 因此,有報告稱在低飽和電壓區域中會發生驟回現象⑸ , ⑹ 。針對 這一問題,X 系列 RC-IGBT 通過對芯片的各結構進行優化, 消除了驟回現象。 X 系列 RC-IGBT 的關斷波形如圖 4 所示,開通波形 如圖 5 所示,反向恢復波形如圖 6 所示。從圖 4 可以看出, X 系列 RC-IGBT 的浪涌電壓,與 V 系列 IGBT 和 V 系列 FWD 的組合、X 系列 IGBT 和 X 系列 FWD 的組合是相同 的。并且,尾電流小于 V 系列 IGBT 和 V 系列 FWD 的組合, 關斷損耗Eoff 降低 23%,觀測不到異常波形。X 系列 RCIGBT 為改善特性,相比 V 系列 IGBT 和 V 系列 FWD 的組 合,采用了更薄的晶圓。因為使用薄晶圓,關斷時的振動和 耐壓的降低令人擔憂,但 X 系列 RC-IGBT 通過優化晶圓 的電阻率和各結構,抑制了振動和耐壓的降低。如圖 5 和圖 6 所示,V 系列 IGBT 和 V 系列 FWD 的組合會產生劇烈的 波形,而 X 系列 RC-IGBT 通過優化壽命控制,實現了更 加柔和的電流波形。由于反向恢復電流的峰值I rrm 和尾電流 的降低,反向恢復損耗 Err 減少了 20%。另外,開通波形 和反向恢復波形都觀測不到異常波形。 圖 7 中展示了以相同活性面積比較的 IGBT 的均衡特性。 圖中 X 系列 RC-IGBT 的各點代表了憑借壽命控制的變更, 而對均衡特性進行調整后的結果。X 系列 RC-IGBT 在相 IGBT 區域 FWD 區域 n p+ + n+ n+ n+ n+ 電場終止層 圖 2 “X 系列”RC-IGBT 的截面圖 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) 條件:以相同活性面積比較 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 導通電壓 VCE(sat)(V),正向導通電壓 Vf (V) 200 150 100 50 0 -50 -150 -100 -200 集電極電流 I (A) C 圖 3 “X 系列”RC-IGBT 的輸出特性 400 600 800 1000 1200 1400 1600 時間(ns) 1200 1000 800 600 400 200 0 -200 300 250 200 150 100 50 0 -50 集電極?發射極間電壓 VCE(V) 集電極電流 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 圖 5 “X 系列”RC-IGBT 的開通波形 400 600 800 1000 1200 1400 1600 時間(ns) 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 -200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 陽極?陰極間電壓 VAK(V) 正向導通電流 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 圖 6 “X 系列”RC-IGBT 的反向恢復波形 400 600 800 1000 1200 1400 1600 時間(ns) 1200 1000 800 600 400 200 0 -200 300 250 200 150 100 50 0 -50 集電極?發射極間電壓 VCE(V) 集電極電流 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 圖 4 “X 系列”RC-IGBT 的關斷波形 24(24) 第 7 代“X 系列”產業用 RC-IGBT 模塊 專輯 :有助于能源管理的功率半導體 富士電機技術期刊 2017 Vol.C9 No.1 同開關損耗下,相比 V 系列 IGBT,飽和電壓改善了 0.5 V。 同時,還有望實現與 X 系列 IGBT 相同的 IGBT 特性。 圖 8 中展示了以相同活性面積比較的 FWD 的均衡特性。 圖中 X 系列 RC-IGBT 的各點與圖 7 一樣,為對均衡特性 進行調整后的結果。X 系列 RC-IGBT 在相同開關損耗下, 相比 V 系列 FWD,正向導通電壓改善了 0.3 V。同時,還 有望實現與 X 系列 FWD 相同的 FWD 特性。 2.3 熱特性 X 系列 RC-IGBT 通過對 IGBT 和 FWD 單芯片化,以 整個芯片對 IGBT 區域或 FWD 區域中產生的損耗導致的發 熱進行散熱。因此,有望降低熱阻。并且,為進一步降低熱 阻,作為第 7 代 X 系列的封裝技術,采用了全新的 AlN(氮 化鋁)絕緣基板。 AlN 絕緣基板熱導率高,因此熱阻低,但抗彎強度低, 因此通過采用比作為絕緣基板而廣泛使用的 Al2O3 (氧化鋁) 絕緣基板更厚的陶瓷,實現了實用化。但這其中也存在一項 課題,即若增加基板厚度,會導致熱阻和可靠性受損。因此 為改善這些問題,必須實現 AlN 絕緣基板的薄型化。過去, 若對 AlN 絕緣基板進行薄型化,安裝工序中可能會出現基 板斷裂、絕緣耐量降低的情況,無法實用化。針對這一問題, 富士電機通過調整 AlN 燒結條件,實現高強度化,并通過 調整沿面距離,優化絕緣設計,制造出了成功薄型化的新 AlN 絕緣基板。 圖 9 中展示了結點 - 塑殼間熱阻。新 AlN 絕緣基板相 比 Al2O3 絕緣基板,相同芯片尺寸下,實現了熱阻降低約 45% 的大幅改善。由此解決了 IGBT 模塊小型化導致的溫 度上升課題。并且,采用優化引線接合和使用高強度焊錫和 高耐熱硅膠,確保高可靠性的同時,也實現了 175 ℃下的 連續運行。 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 模塊的比較,圖 10 中展示了各模塊的耗電量、接合 測定條件:Vf:If=100 A, VGE=+15 V(X 系列 RC-IGBT), Err :VCC=600 V, If=100 A, VGE=+15V/-15 V, 反向恢復 dv/dt=10 kV/μs 條件:以相同活性面積比較 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 FWD 正向導通電壓 Vf (V) 15 10 5 0 FWD 反向恢復損耗 E (rr mJ) X 系列 RC-IGBT 改善 0.3V V 系列 FWD X 系列 FWD 圖 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 測定條件:VCE(sat) :IC=100 A, VGE=+15 V, Eoff:VCC=600 V, IC=100 A, VGE=+15V/-15 V, 反向恢復 dv/dt=10 kV/μs 條件:以相同活性面積比較 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 接通電壓 VCE(sat)(V) 20 15 10 5 0 IGBT 關斷損耗 E (off mJ) 圖 7 “X 系列”RC-IGBT(IGBT)的均衡特性 0.001 0.01 0.1 1 脈沖寬度(s) 10 1 0.1 0.01 結點至塑殼間熱阻(a.u.) Al2O3 絕緣基板 條件:以相同芯片尺寸比較 新 AlN 絕緣基板 圖 9 結點至塑殼間熱阻 表 1 1200 V/100 A IGBT 模塊的比較 項目 X 系列 RC-IGBT 模塊 V 系列 IGBT 模塊 芯片 X 系列 RC-IGBT V 系列 IGBT+ V 系列 FWD 絕緣基板 新 AlN 絕緣基板 Al2O3 絕緣基板 連續運行溫度Tj (℃) 175 150 V 系列 IGBT 模塊 X 系列 RC-IGBT 模塊 107.0 W Tjmax=124 ℃ 101.7 W 150 100 125 75 50 25 0 電力損耗( W) 計算條件:VCC=600 V, Io=50 A(有效值), Fo=50 Hz, FC=8 kHz, 功率因=0.9, 調制率=1.0, 環境溫度 Tair=50℃, Rth(heatsink)=0.085 K/W, 熱膠=50 μm, 2 W/(m·K) Psat Poff Pon Pf Prr ΔTjc=16.8℃ Tjmax=134 ℃ ΔTjc=24.3℃ 圖 10 1200 V/100 A IGBT 模塊下的電力損耗和接合溫度 25(25) 第 7 代“X 系列”產業用 RC-IGBT 模塊 專輯 :有助于能源管理的功率半導體 富士電機技術期刊 2017 Vol.C9 No.1 溫度 Tj 和接合溫度的變動 ΔTjc 的計算結果。通過運用第 7 代 X 系列的芯片技術和封裝技術,相比過去的 V 系列 IGBT 和 V 系列 FWD 的組合,電力損耗和熱阻大幅降低, 確保了高可靠性,同時保證了 175 ℃下的連續運行。另外, 通過使用 X 系列 RC-IGBT,可減少芯片數量和總芯片面積, 有望實現 IGBT 模塊的小型化。 因此,憑借運用 RC-IGBT 的芯片技術和第 7 代 X 系 列的芯片技術、封裝技術,在相同封裝中,可實現比舊型 IGBT 和 FWD 的組合更大的額定電流。 表 2 中額定電壓 1200 V 產品陣容中的 Dual XT 和 PrimePACK〈注〉 2,表 3 中展示了其特點。額定電壓 1200 V 的 Dual XT 中,V 系列 IGBT 和 V 系列 FWD 的組合的額 定電流上限為 600 A。而憑借第 7 代 X 系列的芯片技術和 封裝技術,組合 X 系列 IGBT 和 X 系列 FWD 后,將額定 電流擴大至了 800 A。并且,通過使用 X 系列 RC-IGBT, 以相同封裝,可提供額定電流 1000 A 的模塊。相比使用 V 系列 IGBT 和 V 系列 FWD 的 PrimePACK2,Dual XT 的模塊設置面積減小 40%,且通過使用 X 系列 RC-IGBT, 熱阻 Rth(jc)減小 27%。由此,可覆蓋過去的 V 系列 IGBT 和 V 系列 FWD 的 PrimePACK2 的領域。 圖 11 中展示了使用 V 系列 IGBT 和 V 系列 FWD 的組 合、X 系列 IGBT 和 X 系列 FWD 的組合以及 X 系列 RCIGBT 的各 Dual XT,其變頻器運行時的輸出電流 I o 和 IGBT 最大接合溫度 Tjmax 的計算結果。另外,通過使用 X 系列 RC-IGBT,降低了電力損耗和結點 - 塑殼間熱阻。并 且,通過運用第 7 代 X 系列的封裝技術,連續運行保證溫 度從過去的 150 ℃擴大到了 175 ℃。最終,實現了相同封 裝下,比過去更高的電流密度,從而實現了 IGBT 模塊進一 步的高功率密度化和小型化。因此,可響應小型化、低損耗 化、高可靠性化等 IGBT 模塊所面臨的要求。 4 后記 本稿對通過搭載 IGBT 和 FWD 單芯片化后的 RC-IGBT,實現了進一步高功率密度化和小型化的第 7 代“X 系列” 產業用 RC-IGBT 模塊進行了介紹。憑借這一模塊,可實現 電力轉換裝置進一步的小型化和成本削減,從而廣泛貢獻于 社會。本公司今后還會繼續推動 IGBT 模塊的技術革新,為 實現安全、安心、可持續發展的社會作貢獻。

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