英飞凌各代IGBT模块技术详解.doc

.英飞凌各代IGBT模块技术详解IGBT 是绝缘门极双极型晶体管（Isolated Gate Bipolar Transistor）的英文缩写。它是八十 年代末，九十年代初迅速发展起来的新型复合器件。由于它将 MOSFET 和 GTR 的优点集于一 身，既有输入阻抗高，速度快 ，热稳定性好，电压驱动（MOSFET 的优点，克服 GTR 缺 点）；又具有通态压降低，可以向高电压、大电流方向发展（GTR 的优点，克服 MOSFET 的 缺点）等综合优点，因此 IGBT 发展很快，在开关频率大于 1KHz，功率大于 5KW 的应用场合 具有优势。随着以 MOSFET、IGBT 为代表的电压控制型器件的出现，电力电子技术便从低频 迅速迈入了高频电力电子阶段，并使电力电子技术发展得更加丰富，同时为高效节能、省材 、新能源、自动化及智能化提供了新的机遇。英飞凌EUPEC IGBT 芯片发展经历了三代，下面将具体介绍。一、IGBT1平面栅穿通（PT）型 IGBT （1988 1995）西门子第一代 IGBT 芯片也是采用平面栅、PT 型 IGBT 工艺，这是最初的 IGBT 概念原型 产品 。 生 产 时 间 是 1990 年 1995 年。 西 门 子 第 一 代 IGBT 以后 缀 为 “DN1” 来区 分 。 如 BSM150GB120DN1。图 1.1 PT-IGBT 结构图PT 型 IGBT 是在厚度约为 300500m 的硅衬底上外延生长有源层，在外延层上制作 IGBT 元胞。PT-IGBT 具有类 GTR 特性，在向 1200V 以上高压方向发展时，遇到了高阻、厚外延难 度大、成本高、可靠性较低的障碍。因此，PT-IGBT 适合生产低压器件，600V 系列 IGBT 有优 势。二、IGBT2第二代平面栅 NPT-IGBT西门子公司经过了潜心研究，于 1989 年在 IEEE 功率电子专家会议（PESC）上率先提出了 NPTIGBT 概念。由于随着 IGBT 耐压的提高，如电压 VCE1200V，要求 IGBT 承受耐压的 基区厚度 dB100m，在硅衬底上外延生长高阻厚外延的做法，不仅成本高，而且外延层的掺 杂浓度和外延层的均匀性都难以保证。1995 年，西门子率先不用外延工艺，采用区熔单晶硅 批量生产 NPTIGBT 产品。西门子的 NPT-IGBT 在全电流工作区范围内具有饱和压降正温度 系数，具有类 MOSFET 的输出特性。图 1.2 NPT-IGBT 结构图西门子EUPEC IGBT2 最典型的代表是后缀为“DN2”系列。如 BSM200GB120DN2。 “DN2”系列最佳适用频率为 15KHz20KHz，饱和压降 VCE(sat)=2.5V。“DN2”系列几乎适 用于所有的应用领域。西门子在“DN2”系列的基础上通过优化工艺，开发出“DLC”系列。 “ DLC ” 系 列 是 低 饱 和 压 降 ， （ VCE(sat)=2.1V ） ， 最 佳 开 关 频 率 范 围 为 1KHz 8KHz 。 “DLC”系列是适用于变频器等频率较低的应用场合。后来 InfineonEUPEC 又推出短拖尾 电流、高频“KS4”系列。“KS4”系列是在“DN2”的基础上，开关频率得到进一步提高， 最佳使用开关频率为 15KHz30KHz。最适合于逆变焊机，UPS，通信电源，开关电源，感应 加热等开关频率比较高（fK20KHz）的应用场合。在这些应用领域，将逐步取代“DN2”系 列。EUPEC 用“KS4”芯片开发出 H桥（四单元）IGBT 模块，其特征是内部封装电感低， 成本低，可直接焊在 PCB 版上（注：这种结构在变频器应用中早已成熟，并大量使用）。总 之，EUPEC IGBT 模块中“DN2”、“DLC”、“KS4”采用 NPT 工艺，平面栅结构，是第二 代 NPT-IGBT。三、IGBT3 IGBT3沟槽栅(Trench Gate) 在平面栅工艺中，电流流向与表面平行时，电流必须通过栅极下面的 p 阱区围起来的一个 结型场效应管（JFET），它成为电流通道的一个串连电阻，在沟槽栅结构中，这个栅下面的 JFET 通过干法刻蚀工艺消除了，因此形成了垂直于硅片表面的反型沟道。这样 IGBT 通态压降 中剔除了 JFET 这部分串联电阻的贡献，通态压降可大大降低。InfineonEUPEC 1200V IGBT3 饱和压降 VCE(sat)1.7V。电场终止层（Field Stop）技术是吸收了 PT、NPT 两类器件的优点。 在 FS 层中其掺杂浓度比 PT 结构中的 n缓冲层掺杂浓度低，但比基区 n层浓度高，因此基区 可以明显减薄（可以减薄 1/3 左右），还能保证饱和压降具有正温度系数。由于仍然是在区熔 单晶硅中（没有外延）制作 FS 层，需进行离子双注入，又要确保饱和压降的正温度系数，工 艺难度较大。图 1.3 沟槽栅FS IGBT 结构图EUPEC 第三代 IGBT 有两种系列。后缀为“KE3”的是低频系列，其最佳开关频率为 1K 8KHz。1200V IGBT 饱和压降 VCE(sat)1.7V，最适合于变频器应用。在变频器应用中，北京 晶川公司在中国已完成用“KE3”系列代替“DLC”系列的工作。在“KE3”的基础上，采用 浅沟槽和优化“FS”层离子注入浓度、厚度以及集电区掺杂浓度等，又开发出高频系列，以 后缀“KT3”为标志。EUPEC“KT3”系列在饱和压降不增加的情况下，开关频率可提高到 15KHz，最适合于 8KHz15KHz 的应用场合。在开关频率 fK 8KHz 应用中，“KT3”比 “KE3”开关损耗降低 20左右。InfineonEUPEC 600V 系列 IGBT3 后缀为“KE3”，是高频 IGBT 模块，开关频率可达到 20KHz，饱和压降为 1.50V，最高工作结温可高达 175。 InfineonEUPEC 第三代 IGBT，采用了沟槽栅及电场终止层（FS）两种新技术，带来了 IGBT 芯 片 厚 度 大 大 减 薄 。 传 统 1200V NPT- IGBT 芯片 厚 度 约 为 200m ， IGBT3 后 缀 为 “KE3”的，厚度为 140m 左右；后缀为“KT3”芯片厚度进一步减薄到 120m 左右；600V IGBT3 其芯片厚度仅为 70m 左右，这样薄的晶片，加工工艺难度较大。Infineon 在超薄晶片加 工技术方面在全球处于领先地位。 总之，InfineonEUPEC IGBT3 采用了当今 IGBT 的最新技术（沟槽栅电场终止层）， 是目前最优异的 IGBT 产品，有些电力半导体厂家称这些技术为第五代，甚至称之为第八代 IGBT 技术。InfineonEUPEC 称之为第三代，正如在其型号中的电流标称一样，总是按 TC 80来标称，让产品来说话，让用户来评判。图1.4 EUPEC 三代 IGBT 芯片技术对比图 1.5 NPT/FS IGBT 芯片主要优点四、EUPEC IGBT 模块中 IGBT 及续流二极管芯片特征参数EUPEC IGBT 模块全部采用西门子 Infineon IGBT 芯片，从型号中的后缀来区分，用户 应根据不同的开关频率范围来选用相应的 IGBT 模块。 EUPEC1、EUPEC 600V 系列 IGBT 模块芯片特征参数图1.6 EUPEC 600V 系列 IGBT 模块芯片特征参数注： 600V“DLC”和“KE3”是高频器件，可工作在 20KHz； “KE3”最高结温可达 175。 EUPEC2、EUPEC 1200V IGBT 模块芯片特征参数：图 1.7 EUPEC 1200VIGBT 模块芯片特征参数注：晶川公司将逐步推广“KS4”芯片以替代“DN2”芯片，用于逆变电焊机，UPS，通信 电源，开关电源等开关频率大于 15KHz 的应用领域；晶川公司已完成在变频器等开关频率 fK10KHz 的应用领域，用“KE3”代替“DLC”系列；对于 fK15KHz 的应用场合，我们将逐步推广 EUPEC “KT3”系列, 来取代”KE3“系列；后缀为“KF4”或“KL4C”是指 EUPEC IHM 的芯片分类标志。3、EUPEC 1700V IGBT 模块芯片特征：图 1.8 EUPEC 1700V IGBT 模块芯片特征注：随着器件耐压的增高，IGBT 的开关频率相应下降，推荐表中仅仅是最佳使用频率 范围，若选择额定电流大一些的器件，也可在较高频率中使用；1700V 系列，根据电流不同，可提供“DN2”； “DLC”“KF6CB2”；“KE3”等三种芯片的 IGBT