IGBT发展历史.doc

IGBT驱动芯片IXDN404应用及改进 朱选才，周惠升 (浙江大学电气工程学院，浙江 杭州 310027） 摘要：介绍了IXYS公司大功率IGBT驱动芯片IXDN404的特点及性能，并在此基础上，根据IGBT驱动的实际要求，设计出了一种具有过流保护及慢关断功能的简单有效的驱动电路，给出了实际电路图和驱动波形。 关键词：IGBT；驱动与保护；IXDN404 0 引言 绝缘栅晶体管IGBT是近年来发展最快而且很有前途的一种复合型器件，并以其综合性能优势在开关电源、UPS、逆变器、变频器、交流伺服系统、DC/DC变换、焊接电源、感应加热装置、家用电器等领域得到了广泛应用。然而，在其使用过程中，发现了不少影响其应用的问题，其中之一就是IGBT的门极驱动与保护。目前国内使用较多的有富士公司生产的EXB系列，三菱公司生产的M579系列，MOTOROLA公司生产的MC33153等驱动电路。这些驱动电路各有特点，均可实现IGBT的驱动与保护，但也有其应用限制，例如：驱动功率低，延迟时间长，保护电路不完善，应用频率限制等。本文，以IXYS公司生产的IGBT驱动芯片IXDN404为基础，介绍了其特性和参数，设计了实际驱动与保护电路，经过实验验证，可满足IGBT的实际驱动和过流及短路时实施慢关断策略的保护要求。 1 IXDN404驱动芯片简介 IXDN404为IXYS公司生产的高速CMOS电平IGBT/MOSFET驱动器，其特性如下： 高输出峰值电流可达到4A； 工作电压范围4.5V25V； 驱动电容1800pF15ns； 低传输延迟时间； 上升与下降时间匹配； 输出高阻抗； 输入电流低； 每片含有两路驱动； 输入可为TTL或CMOS电平。 其电路原理图如图1所示，主要电气参数如表1所列。 图1 IXDN404电路原理图 表1 IXDN404主要电气参数 符号 参数 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位 Vih 输入门限电压，逻辑1 3.5 V Vil 输入门限电压，逻辑0 0.8 V Voh 输出电压，逻辑1 Vcc0.025 V Vol 输出电压，逻辑0 0.025 V Ipeak 峰值输出电流 Vcc=18V 4 A Idc 连续输出电流 Vce=18V 1 A tr 上升时间 C1=1800pF Vcc=18V 11 12 15 ns tf 下降时间 C1=1800pF Vcc=18V 12 14 17 ns tond 上升时间延迟 C1=1800pF Vcc=18V 33 34 38 ns toffd 下降时间延迟 C1=1800pF Vcc=18V 28 30 35 ns Vcc 供电电压 4.5 18 25 V Icc 供电电流 Vin=Vcc 10 A 2 驱动芯片应用与改进 图2为IXDN404组成的IGBT实用驱动与保护电路，该电路可驱动1200V/100A的IGBT，驱动电路信号延迟时间不超过150ns，所以开关频率图2由IXDN404组成的IGBT保护与驱动电路图1IXDN404电路原理图可以高达100kHz。可应用于DSP控制的高频开关电源、逆变器、变频器等功率电路中。根据IXYS公司的使用手册，IXDN404仅能提供0Vcc的驱动脉冲。我们在此基础上，增加5.1V稳压二极管Z3以实现5V偏置电压；由稳压管电压为光耦6N137和反相器CD4069供电，节省了一路驱动电源；增加降栅压及慢关断保护电路，实现IGBT的保护功能；降栅压及慢关断电路是通过控制IXDN404供电电压Vcc来实现的，明显不同于其它保护电路的前级降压控制方式。下面介绍其工作原理。 图2 由IXDN404组成的IGBT保护与驱动电路 2.1 正常开通过程 当控制信号为高电平时，快速光耦6N137导通，经过一级反相，输入IXDN404，输出15V脉冲，IGBT正常导通。同时，由于光耦输出为反相，V4截止，V5导通，C1由电源充电，C1电压不会超过9V，这是因为IGBT正常导通时Vces不高于3V，二极管D2导通，A点电位箝位在8V，加上电阻R10的压降，C点电位接近9V。Z1截止，V2截止，V1导通，B点电位接近20V；Z2截止，V3截止，D点电位接近B点电位。C1充电时间常数1=R9C1=2.42s，C1充电到9V的时间为 t1=1ln=1.45s（1） 2.2 正常关断过程 当控制信号为低电平，光耦输出高电平，反相输出低电平，由于Z3箝位IXDN404输出脉冲为5V，IGBT正常关断。这时，V4导通，V5截止，C点电位保持在9V；Z1截止，V2截止，V1导通，B点电位接近20V；Z2截止，V3截止，D点电位接近B点电位。 2.3 保护过程 设IGBT已经导通，各点电位如2.1所说。当电路过流时，IGBT因承受大电流而退出电阻区，Vces上升，二极管D2截止，A点对电容C1的箝位作用消失；C点电位从9V上升，同时Z1反向击穿，V2导通，V1截止，B点电位由R1和Rc以及IXDN404芯片内阻分压决定，箝位在15V，栅压降为10V。栅压的下降可有效地抑制故障电流并增加短路允许时间。降栅压运行时间为 t2=1ln=1.09s（2） 如果在这段时间内，电路恢复正常，D2导通，A点继续箝位，V2截止，V1导通，电路恢复2.1所说状态。如果D2仍处于断态，也就是故障电流仍然存在，C点电压继续上升，经过t2时间上升到13V，Z2反向击穿，V3导通，电容C2通过电阻R12放电，D点与B点电位同时下降，IGBT栅压逐渐下降，实现慢关断过程，避免了正常关断大电流时所引起的过电压。慢关断过程时间为t3，由C2和R12决定。由IXDN404工作电压范围为4.525V，2=R12C2=4.84s，可知 t3=2ln=5.83s（3） 另外，在IGBT开通过程中，如果二极管D2不能及时导通，将造成保护电路的误动作，因此D2要选择快速二极管，也可通过适当增加Z1稳压值和增大电阻R9以增大C1充电时间常数延长保护电路动作时间。但这与保护动作的快速性相矛盾，具体应用时要根据实际电路要求和功率器件的特性作出折中的选择。 2.4 几点说明 1）为使驱动功率达到最大，本电路将两路输入输出并联使用，最大驱动峰值电流可达8A，这个峰值电流是由电容Cc瞬间放电产生； 2）光耦6N137输出为输入反相，IXDN404为同相输入输出，为保证控制逻辑正确，中间需加一级反相器，也可采用带反相的IXDI404； 3）图2中可在E点处加入一个光耦，其输出可作为短路保护信号送给控制逻辑，以封锁本路及其它各路的PWM信号，确保主电路安全； 4）IXDN404驱动电路对脉冲信号非常敏感，实际操作时要保证连线尽量短，输出要用双绞线接IGBT，电路所用元器件也可采用贴片式，既缩小驱动电路体积，也提高了工作稳定度。 图3为实测IGBT的门极驱动信号，其中通道1为输入控制信号，通道2为输出驱动信号。所用IGBT为仙童公司HGTG18N120BND。从图中可以看出驱动电路延迟时间仅为100ns。其中图3（d）为模拟IGBT过流时的保护波形，首先降栅压运行，然后慢关断，最后由于低电压供电，IXDN404输出驱动电压封锁在2V左右。 （a）100kHz时的驱动波形 （b）100kHz时的上升过程 （c）100kHz时的下降过程 （d）20kHz时保护波形 图3 电路实测驱动波形 3 结语 由IXDN404组成的IGBT驱动与保护电路可满足IGBT驱动要求，其特点可归纳如下： 驱动电源20V单路供电，驱动栅压15V5V； 最大驱动峰值电流可达8A，满足大功率IGBT驱动要求； 电路信号延迟时间短，工作频率可以达到100kHz或者更高，可适应大多数电路需要； 可实现过流保护及降栅压慢关断功能； 电路成本相对较低。 综上所述，这种驱动保护电路是一种低成本、高性能的IGBT驱动电路。 作者简介 朱选才（1980），男，硕士研究生，主要研究方向为高功率密度电源。 周惠升（1978），男，博士研究生，主要研究方向为复合材料飞轮储能。2010中国IGBT市场与产业研究报告出版日期：2009年12月售价：9000元 内容预览：本研究报告在IGBT基础知识、制造工艺和IGBT器件发展介绍的基础上，以中国IGBT市场与产业发展为主线，在后经济危机时代中国扩大基础措施建设、大力推进节能环保的政策引导之下，分析了中国IGBT主要细分领域应用市场的发展趋势，并预测了未来几年中国IGBT市场发展规模，并就当前热点应用领域进行了阐述；产业分析部分，主要结合当前中国IGBT产业环境及发展态势，通过广泛的产业调研，以IGBT产业链为基础，对中国IGBT产业现状及产业发展模式进行了研究分析。报告第六章则介绍了全球及中国主要的IGBT企业发展、现状及产品类别等，对国内部分企业的发展现状进行了详细的叙述。图1：2004-2011年中国IGBT市场规模及预测数据来源：MCC，2009/12 报告给出了中国近几年IGBT市场规模统计和预测数据，如图1所示。2009年中国IGBT市场总体规模将达到36.8亿元，较2008年增长12.3%。未来几年，随着IGBT在节能、变频领域应用的进一步扩大，中国IGBT市场继续以较快的速度增长，预计到2011年中国市场IGBT产业规模达到60.2亿元。IGBT产业方面，近两年来中国在政府的大力鼓励及市场驱动之下，涌现出了如科达、凤凰半导体等一些IGBT设计企业，其中部分厂商IGBT芯片已经流片成功，正处于客户试样阶段；IGBT芯片前道制造目前国内有上海先进、贝岭、华润华晶等模拟晶圆厂商可以流片，方正微电子、吉林华微等也在积极开发IGBT技术工艺；后端模组封装方面，威海新佳、南京银茂、斯达半导体、厦门宏发、江苏宏微等在工业焊机、切割机等应用领域已经有一定市场份额。IGBT等相关功率节能产品已经被列为国家重点扶植产业，随着市场需求的进一步扩大，中国众多IGBT项目暗潮涌动。图2为中国最新的IGBT企业分布图。图2：中国IGBT产业企业的分布资料来源：MCC，2009/12报告目录：第一章：IGBT 概述1.1. IGBT 的基础1.2. IGBT 的发展1.2.1. 功率分立器件的发展1.2.2. IGBT 的发展历程第二章：IGBT 工艺技术及器件发展2.1. IGBT 芯片制造及器件的演变2.2. IGBT 工艺流程及工艺介绍2.3. IGBT 芯片生产线设备组成第三章：IGBT 市场分析3.1. 全球IGBT 市场分析 错误！未定义书签。3.1.1. 全球功率半导体市场3.1.2. 全球IGBT 市场3.2. 中国IGBT 市场3.2.1. 中国IGBT 市场规模及预测3.2.2. 中国IGBT 产品结构3.2.3. 中国IGBT 应用领域. 电磁炉. 数码相机. 变频家电. 不间断电源. IGBT 逆变焊机及切割机等第四章：IGBT 应用新领域4.1. 光伏产业4.1.1. 光伏逆变器产业发展4.1.2. IGBT 在光伏逆变中的应用4.1.3. 国内逆变器的产业现状4.2. 智能电网4.2.1. 智能电网定义及发展4.2.2. IGBT 在智能电网的应用4.2.3. 中国智能电网发展第五章：中国IGBT 产业状况分析5.1. 中国IGBT 产业现状5.2. 中国IGBT 产业链5.2.1. IGBT 设计5.2.2. IGBT 制造5.2.3. IGBT 封装5.3. 中国发展IGBT 的产业环境5.4. 中国在建和拟建IGBT 项目第六章：重点IGBT 企业6.1. 国际主要IGBT 企业状况英飞凌(Infineon)ABB 半导体公司意法半导体（STMicroelectronics）赛米控(Semikon)国际整流器（International Rectifier）飞兆半导体(Fairchild)富士电机（Fuji）东芝（Toshiba）三菱电机（Mitsubishi）6.2. 中国主要IGBT 企业状况西安电力电子技术研究所科达半导体无锡凤凰半导体比亚迪天津中环半导体嘉兴斯达半导体威海新佳电子江苏宏微科技南京银茂微电子南车时代电气附录：缩略语对照表图目录图1.1：IGBT 的结构示意图图1.2：IGBT 的工作原理图图1.3：IGBT 等效结构示意图图1.4：IGBT 器件分类图1.5：IGBT 的应用领域图1.6：功率器件的分类图1.7：功率分立器件的发展图1.8：功率分立器件的比较图1.9：功率分立器件的特性图1.10：IGBT 的发展图2.1：IGBT 表面栅结构对照图2.2：软沟槽IGBT 结构图2.3：IGBT 芯片垂直结构示意图图2.4：IGBT 硅片厚度进展图2.5：PT 型平面IGBT 工艺流程图图2.6：NPT 型IGBT 工艺流程图图2.7：IGBT 基本封装工艺流程图2.8：IGBT 模块构架示意图图3.1：全球功率半导体市场规模及预测（2002-2011，亿美元）图3.2：全球IGBT 市场规模及预测（2002-2011，亿美元）图 3.3：全球IGBT 需求量及预测（2002-2011，亿个）图3.4：中国IGBT 市场规模及预测（2004-2011，亿元）图3.5：中国IGBT 市场需求及预测（2004-2011，亿颗）图3.6：中国市场IGBT 产品结构需求及预测（2004-2011，亿颗）图3.7：中国分立IGBT 市场需求变化及预测（2004-2011，亿颗）图3.8：中国市场模组IGBT 芯片需求变化及预测（2004-2011，亿颗）图3.9：2009 年中国IGBT 市场结构图3.10：IGBT 的应用分类图3.11：IGBT 在所应用领域的价格和市场规模图图3.12：2009 年中国IGBT 应用市场结构图3.13：IGBT 模块应用电路结构图3.14：IGBT 在电磁炉中的应用图3.15：中国电磁炉用IGBT 市场规模及预测（2004-2011，亿元）图3.16：中国电磁炉用IGBT 市场需求量及预测（2004-2011，万颗）图3.17：数码相机闪光灯电路图3.18：中国数码相机用IGBT 市场规模及预测（2004-2011，亿元）图3.19：中国数码相机IGBT 市场需求（2004-2011，万颗）图3.20：中国变频家电IGBT 市场规模及预测（2004-2011，亿元）图3.21：中国变频空调IGBT 市场规模及预测（2004-2011，亿元）图3.22：中国变频空调IGBT 需求及预测（2004-2011，万颗）图3.23：在线式UPS 电源主电路图3.24：中国UPS 用IGBT 市场规模及预测（2004-2011，亿元）图3.25：中国UPS 用IGBT 市场需求及预测（2004-2011，万颗）图3.26：中国逆变焊机及切割机类IGBT 市场规模及预测（2004-2011，亿元）图3.27：中国逆变焊机及切割机类IGBT 需求及预测（2004-2011，万颗）图4.1：全球光伏逆变器市场规模发展（欧元）图4.2：中国市场光伏装机量发展变化（MW）图4.3：典型的光伏逆变器结构图4.4：光伏逆变技术的发展图 4.5：光伏逆变器零部件组成（2KV）图5.1：中国IGBT 企业分布图5.2：中国IGBT 产业链图6.1：全球主要IGBT 企业分布图6.2：英飞凌在全球的制造基地图6.3：ABB 一个HiPak IGBT 模块剖面图图6.4：意法半导体功率器件功耗发展比较图6.5：意法半导体IGBT 产品Roadmap（2009-2011）图6.6：IR 公司FETs & IGBT 器件研发计划及销售目标（2008-2009）图6.7：富士电机IGBT 技术Roadmap图6.8：东芝分立IGBT 产品Roadmap（2006-2010）图6.9：三菱电机IGBT Roadmap图6.10：西电所IGBT 发展历程图6.11：中环半导体IGBT 工艺Roadmap（2008-2010）图6.12：丹尼斯（Dynex）股东结构表目录表1：不同电压IGBT 产品的主要应用表2：各种功率分立器件性能比较表3：IGBT 器件的演变及比较表4：IGBT 芯片垂直结构参数比较表5：IGBT 工艺模块及相关设备表6：全球主要IGBT 企业列表表7：国内主要光伏逆变器企业表8：国家电网及南方电网近年投资情况表9：中国企业在IGBT 领域申请专利项目列表表10：目前中国主要IGBT 企业列表表11：国家电力电子产业资助项目表12：中国在建和拟建IGBT 项目列表表13：意法半导体的IGBT 产品及应用表14：Semikon IGBT 分类及芯片供应商表15：比亚迪IGBT 模块产品列表表16：威海新佳电子国家资助项目情况联系方法：地址：上海市徐汇区嘉川路 245 号科汇创业园2 号楼508邮编：200237电话：8621-54291134Email：T网址：IGBT发展历史和新进展2008-01-09 22:03作者：王正元1，由宇义珍2，宋高升3摘要：自从第一个IGBT的概念被在论文中介绍以来，已有十二年过去了。在此期间，IGBT芯片技术以其性能的重大改进经历了若干代的创新。其后，包括IGBT芯片在内的当代IGBT器件、IGBT模块和智能化功率模块（IPM）已被公认为最受欢迎的电力半导体器件。对于IGBT器件性能的改进来说，最重要的事项就是减少功耗和保持安全工作区（SOA）。在这些事项中，始终存在着对其性能参数间的战略折衷，这些折衷往往表现为被一种新的芯片技术带来的新优化。本文将总结IGBT技术的历史和最新进展。关键词： IGBT；发展历史；最新进展Abstract: Around twenty years have elapsed since the first IGBT concept has been introduced in the paper. During this time IGBT chip technology has evolved through each several generations with big improvements in performances. And then, the present IGBT devices, IGBT Modules and Intelligent Power Modules(IPM) including IGBT Chips, have been known as the preferred power semiconductor devices. The most important items for improvement of IGBT performance are to reduce the power loss and to maintain the Safe Operating Area (SOA). In these items, there exist the triangular Trade-off relation-ship each other, which have been optimized with a new chip technology. This paper will summarize the history and latest IGBT technology.Keywords: IGBT；development history；latest evolution1引言 IGBT作为电力电子系统的一种关键电力半导体器件已经持续增长了若干年，这是因为它使电力电子装置和设备实现了更高的效率，也实现了小型化的设计。这就意味着IGBT器件的应用领域已经扩展到很宽的范围，不仅在工业中，而且在许多其他功率变换系统中，它已经取代了大功率双极晶体管（GTR）、功率MOS场效应管（MOSFET），甚至出现替代门关断晶闸管（GTO）的现实趋势。 图1示出了IGBT器件在应用方面扩展的简要情况。IGBT器件额定电压和额定电流所覆盖的输出容量已经达到4MVA。IGBT器件最大的额定集电极电流已经报导到2400A，最高阻断电压达到6.5kV的器件亦已有正式介绍。另一方面，为了满足IGBT器件的新应用的需求，一种较高频率类型的IGBT已经诞生。图1 IGBT器件的扩展（略） IGBT是MOS栅器件结构同双极晶体管相结合进化而成的复合型功率开关器件。所以，IGBT的使用具备了双极晶体管和功率MOSFET的双重特点，从而形成了具有更好的折衷特性（通态压降和开关时间之间）、较低的总损耗（导通损耗和开关损耗等损耗之和）和更稳实的开关安全工作区（SOA）。于是，IGBT成功地持有绝缘栅的良好控制能力及通态电导调制的综合优点。本文介绍IGBT技术的历史和最新进展。最原始的IGBT概念是在1980年代的前半期就被引出来，它是采用DMOS平面栅技术在两层外延（n+层和n-层）硅片上制成的。此后，IGBT技术的演变不仅是在表面结构上，而且也在重直结构上，并得到加速发展以满足逆变化的功率变换系统的需要。其结果，最新的IGBT技术推演出一种最新的表面结构“CSTBT”器件，这就是“载流子储存的沟槽型双极晶体管”，以及一种最新的重直结构“LPT”器件，即“弱穿通”型IGBT。这两种新结构能够显著地改进通态电压、开关性能及安全工作区（SOA）相互之间的折衷。 2 历史演变 表1简要示出IGBT器件的结构和制造工艺的历史演变情况。IGBT器件制造技术是沿着三个方面演变的：表面栅结构、硅芯片的重直（纵向）结构以及硅片的加工工艺。1979年，MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间。这种器件表现为一个类晶闸管的结构（P-N-P-N四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅1。 表1. IGBT技术的演变历史（略） 80年代初期，用于功率MOSFET制造技术的DMOS（双扩散形成的金属-氧化物-半导体）工艺被采用到IGBT中来。2在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的NPT（非穿通）型设计。后来，通过采用PT（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的3。几年当中，这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构，其设计规则从5微米先进到3微米。 90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT，它是采用从大规模集成（LSI）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（PT）型芯片结构。4在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。 硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通（NPT）结构，继而变化成弱穿通（LPT）结构，这就使安全工作区（SOA）得到同表面栅结构演变类似的改善。 这次从穿通（PT）型技术先进到非穿通（NPT）型技术，是最基本的，也是很重大的概念变化。这就是：穿通（PT）技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。另一方面，非穿通（NPT）技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。进而言之，非穿通（NPT）技术又被软穿通（LPT）技术所代替，它类似于某些人所谓的“软穿通”（SPT）或“电场截止”（FS）型技术，这使得“成本性能”的综合效果得到进一步改善。 1996年，CSTBT（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第5代IGBT模块得以实现6，它采用了弱穿通（LPT）芯片结构，又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前，包括一种“反向阻断型”（逆阻型）功能或一种“反向导通型”（逆导型）功能的IGBT器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化。3 IGBT芯片制造技术 （1）表面结构 图2总结了各代技术的表面结构IGBT芯片。第1代和第2代IGBT都采用“平面栅”结构，都是在外延片上制备的，示于图2.a)。第3代IGBT也是平面栅，不过采用更精细的图形，设计规则从5微米先进到3微米。这些采用表面栅结构的IGBT制造技术的实用化使采用DMOS工艺的器件性能更加改进，请见图2.b。图2 IGBT芯片的表面结构之演变（略） 这种技术使元胞尺寸明显减小。这种精细图形可以导致在该芯片面积上获得较短的有效沟道长度。因此其集电极发射极之间的饱和电压可以减小。但另一方面，这种方式却使得结型场效应管（JFET）区域的电阻变大。 为了克服这个问题，图2.d上显示的沟槽栅结构又被重新考虑起来。这种结构可以消除JFET区域，使得IGBT的通态电阻进一步地明显减小，而且，同传统的平面栅结构相比较，它还使芯片的尺寸进一步减小。沟槽栅结构能显著减小VCE（饱和）的这一个明显优点，可以从第3代向第4代IGBT的转化中显示出来，即使其电流密度提高。然而，这种在PT芯片上制备的简单的沟槽栅结构具有两个值得关注的缺点。首先，该沟槽结构的元胞密度比较高，导致短路电流比较大，这就意味着它的耐短路能力（持续时间）比较差。为了耐受由实际应用所要求的短路电流，就必须附加RTC（实时控制）电路。其次，沟槽栅结构器件的元胞密度高，还大大地增加了栅极输入电容，于是，就得要求增大栅驱动功率，这是大家都不希望的。 这两个问题在21世纪初通过引入PCM（插入式组合元胞）设计而得到解决，也就是采取宽元胞间距结构来保持短路电流相对较小，示于图2.e)。除了采用沟槽栅结构和PCM结构之外，还采取在p基区和n-漂移层之间形成一个n型层，即所谓“载流子储存层”（CS层）的设计，使能够储存载流子。所以，CS层对于改善n-漂移区内的电导，从而减小VCE（饱和）是很有用的。（2）垂直（纵向）结构 与上述表面结构不断得到改进的同时，IGBT器件的垂直（纵向）结构也平行地发生着变化，如图3所示。图3 IGBT芯片的垂直(纵向)结构之演变（略） 在垂直结构的历史演变中，IGBT经历了螺旋式的发展：开始是比较厚的NPT（非穿通）型结构；后来变成具有双外延层（译者注：在P+衬底片上外延n+缓冲层，再外延n-层）的PT（穿通）型结构；然后又经历比较薄的NPT（非穿通）型结构，最后，则演变成LPT（弱穿通）型结构，它是一种在区熔（FZ）硅单晶薄片上形成的一种更先进的类PT（穿通）型结构（译者注：穿通型结构中，n+缓冲层的掺杂浓度比较高；在弱穿通型结构中，n+缓冲层的掺杂浓度比较低。前者的缓冲层掺杂浓度比后者高2-3个数量级）。 第一批商用IGBT器件采用的是在外延硅片上的PT（穿通）型结构。这种结构的主要优点在于能够控制n-层的电阻率和厚度，以使功率损耗（功耗）和耐短路能力之间的折衷达到优化。具有外延层的PT（穿通）概念的特点是较高的（发射结）载流子注入系数和较低的（基区）输运效率。这种结构可以有较低的饱和电压，不过它的关断时间则受到（基区内）存储的载流子被扫出所需时间的强烈制约。于是，不得不通过电子辐照来控制少数载流子的寿命来改善（降低）关断时间。（译者注：因此，快关断型IGBT的饱和电压就必然变得比较高了）这种结构的另一个缺点就是外延硅片的成本高，尤其是对于电压较高的器件（译者注：高电压器件要求较厚的外延层厚度，外延层的增厚使其成本大为增加）。 在区熔（FZ）硅片上形成的NPT（非穿通）结构中，n-层（电阻率及其厚度译者注）要调整到与额定阻断电压相适应，这对于支持相对较高阻断电压的IGBT来说是划算的。这表明它同采用外延硅片的PT（穿通）结构的行为特点相反，它对载流子寿命无须做任何控制就具有较好的开关特性，但由于输运效率较高而载流子注入系数较差造成了比较高的饱和电压（在同样的开关特性下，NPT结构的通态电压可能比上述PT结构的低一些，但还是比较高译者注）。 综合兼收PT（穿通）结构和NPT（非穿通）结构二者的特点，就可能克服各自在性能折衷方面的制约，由此得以产生一种新的、更先进的所谓LPT（弱穿通）结构。LPT结构的主要概念是选取了一个优化的n-漂移区参数，其减薄得足以得到比较低的饱和电压，同时又保持有一个非常皮实的安全工作区（SOA）。IGBT结构的这种演变被总结示于图4。图4. IGBT 技术的演变（略）4 来自需求的关键性能 （1）三角折衷关系 IGBT器件中，在饱和电压VCE（饱和）、下降时间tf或关断开关能量Eoff之间存在着一个重要的折衷关系，对这方面的折衷关系进行改进的进步得到了公认。图5示出各代技术中VCE（饱和）和tf之间大家周知的折衷曲线。比任何其他特性都重要的另外一点是如何使这些器件在其各种可能的工况运行时都不至损坏的问题。器件为什么会损坏的众多原因之一是同安全工作区（SOA）相关的。SOA可以分成三部分：正偏安全区（FBSOA）、反偏安全区（RBSOA）和短路安全区（SCSOA）。对于功率开关应用的IGBT不仅要评价VCE（饱和）和tf之间的折衷，而且还要考虑VCE（饱和）和tf（或Eoff）及安全工作区（SOA）之间的三角折衷，如图6所示。 在开关类应用中，反偏安全工作区（RBSOA）和短路安全工作区（SCSOA）二者是为器件保护的设计特别需要的。而且，由饱和电压VCE（饱和）和开关能量计算出来的总功耗也必须是尽可能低才好。图5 各代IGBT中的性能折衷关系（略）图6 三角折衷关系（略）（2）功率损耗 有关IGBT的功耗，用户们从以往的二十多年各代IGBT做出的不断改进中受益匪浅。图7表明在一种标准的，用于运动控制的逆变器运行中，IGBT功耗的减少是怎样一步步做到的。图7. IGBT运行损耗的减少进程（略）（3）满足需求 表2总结了对功率芯片的主要要求，以及挑战下一代器件所必须开发的关键技术。对于IGBT来说，为了演变到更低的损耗，所需要的更先进技术都与精细结构和更薄片结构相联，它们正在被开发出来。采用RCT或采用可控饱和电流的结构之类箝位方法，获得较宽安全工作区（SOA）承受容量的努力已经实用化。目前，弱穿通（LPT）结构已经被应用到实际的IGBT器件中，贡献了得到改善的成本性能关系。尽管这里不能详细加以说明了，不过要提一下，在IGBT模块中同IGBT芯片结合在一起使用的另一类功率芯片，即新型续流二极管也正在进步与改进之中，通过采用新的结构它们会获得更软的（恢复）性能。5 预期未来的IGBT器件 薄片技术将为我们提供诸如反向阻断（RB）型和反向导通（RC）型IGBT器件之类预期的新型IGBT器件，它们已示于表2。 （1）RB（逆阻）型IGBT 当前，矩阵式变换器正在建立和发展，它要求功率开关器件具备反向阻断功能，其结构画在图8上。逆阻（RB）型IGBT在阻断电压方面是正、反对称型的，这就意味着这样的单片IGBT芯片是把传统的IGBT同二极管串联组合而成的。（2）RC（逆导）型IGBT 图9示出了一个反向导通型IGBT，或者说一个逆导（RC）型IGBT，这对于未来的选择是很先进的。这种RC型IGBT是建立在CSTBT（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）技术的基础上，并采用了LPT（弱穿通）薄片结构。这种器件具有双向导通功能，即具有正向导通模式和反向导通模式。替代用一个n+缓冲层和一个p+集电层堆叠形成的常规IGBT结构，在新器件中，在硅片的背面独立地形成条块状的n+区和p+区，而在硅片正面则面对着沟槽栅条块。图8 逆阻型IGBT结构及阻断电压（略）图9 逆导型IGBT芯片结构和通态特性（略）6 结论 本文提出了对十五年以来IGBT随着改善其电气特性而进行的发展趋势的评论。IGBT器件引导了电力电子系统中的革命性变革，这是由于IGBT芯片制造技术的重大演变。 在这里特别讨论了技术上的显著演变都是针对表面栅结构和垂直硅片结构在改善三角折衷方面的进展。还介绍了诸如逆阻型IGBT和逆导型IGBT之类更新的器件概念。目前，弱穿通（LPT）结构被用到实际的IGBT器件中，提供了得到改进的成本性能关系。尽管这里不可能详细展开说明了，但要指出新型续流二极管作为另一类功率芯片正在同IGBT芯片结合起来。它们是作为市场需求的未来解决方案而提出来的。新一代1200V IGBT/FWD芯片组收藏此信息 打印该信息 添加：J.Li, R.Herzer, R.Annacker, B.Koenig 来源：未知1 简介现代工业中1200v igbt的使用非常频繁和广泛，如马达驱动、ups、逆变焊机等设备中都可见其身影。其日益增长的市场份额正促使igbt的性能连续不断地改进，例如，向更低的工作损耗、更大的输出功率方向前进。为降低igbt器件的损耗从而减少整个系统的成本和体积，必须考虑两个主要参数:饱和电压和开关能量。在低频段逆变电路的损耗主要由饱和电压决定，而在高频段开关能耗则起着重要的作用。因此针对不同开关频率提供多种可供选择的器件肯定会受到市场的欢迎。两种新的igbt技术，spt和trench-fs，就反映了这种趋势。2 使用spt和trench-fs新技术的igbt在介绍新的spt和trench-fs技术之前回顾一下目前广泛使用的npt(non-punch-through，不穿通)技术可能会对我们有所帮助。如图1-a所示，npt-igbt芯片使用一块同极性的n-掺杂硅片衬底(厚约200m)，在该基片的顶部形成一个mosfet门极结构，而在底部通过插入一p+层形成一双极性pnp型晶体管。具备这种同极性衬底结构的igbt有很多优点:如很高的可靠性，特别是在短路情况下;饱和电压的正温度系数以及矩形状的反向偏置安全工作区(rbsoa)。npt-igbt关键参数列于表一。软穿通技术1，如图1.b所示，在n-基片下有一附加的n+缓冲区层。当n-基片减至最薄时n+缓冲区会阻止器件发生“穿通型”击穿。因此spt-igbt能够比npt-igbt使用更薄的衬底。在基片的顶部生成一个标准的平面mosfet门极。spt-igbt变薄的n-基片使得和npt-igbt相比，其通态电压更低，开关损耗更小。图1 不同技术的igbt芯片结构spt-igbt的开关性能也得到优化:关断时电压为线性上升，低的过冲电压，短而小的尾电流以及下降段和末尾段之间的平滑过度。开关损耗也很低。和标准npt-igbt比较，在芯片面积以及热阻几乎不变的情况下，饱和电压特性却改进了。表1 不同igbt芯片的主要特性parameternptigbt trench-fsigbt sptigbtunitv1253.02.02.3vvcesattemperaturecoefficient positivepositivepositive-eon+eoff125per 100a 282521mjrelative chip size10070100%gateper 100a8507001000ncchargeper 100mm2chip area 530700620nc沟道-场截止(trench-fs)技术2也是在n-基片底部附加一层n+层，同时上述结构中还嵌入了一个深的沟道门极。这种优化的门极结构和底部发射极在n-基片中形成一块优化的矩形状等离子层。这种特殊结构使trench-fs igbt和npt-igbt相比饱和电压下降30%，芯片尺寸约为原先的70%，因此电流密度大大提高，然而产生的副效应就是热阻变大。与spt-igbt相比，加工trench-fs-igbt需要更复杂的工艺，可是对同样厚度的这样两片芯片，trench-fs-igbt所需的硅材料就少多了(芯片面积减小)。表1中列出了trench-fs-igbt和spt-igbt的主要参数。与当前普遍使用的npt-igbt相比，两者的性能都得到了显著的改进，但又各有所长:trench-fs-igbt的通态电压更低，spt-igbt的开关损耗最小，更适合于高开关频率下的应用。这两种igbt都能够承受瞬时短路(至少10s)，动态稳定性也不错。图2 cal二极管作为续流二极管3 使用cal-二极管作为续流二极管semikron cal(受控轴向载流子生存周期)二极管使用深度掺杂n+的n-衬底做基片(图2)。在阳极一侧，p+保护环被掺杂已达到1200v或更高的阻断电压。通过特别的离子注入技术可使复合中心形成预定的轴向分布图3。用此技术制造的二极管具备很高的稳定性，它能工作在关断时dif/dt特别大(高达15ka/s-cm2)的工况下，因此非常适合做快速开关igbt(特别是阻隔电压在1200v或以上)的续流二极管。cal-二极管具备软恢复特性，而且该特性和电流大小及其他条件无关。电路设计时该特性可使我们简化emi兼容性方面的考虑，而且在整个电流和温度范围内反向恢复电流的跳变也消除了。反向电流的逐渐减小也使得反向电压峰值变小。此外，cal-二极管关断能耗很低。小反向峰值电流有助于减少相对应igbt的开通损耗。因此这种类型的二极管与spt-igbt能良好的匹配，两者的结合构成的igbt开关器件表现出优越的开关性能和很低的开关损耗。4 trench-fs-igbt使用的cal-hd-二极管因为trench-fs芯片的高电流密度，trench-fs-igbt芯片组封装在功率模块封装里可以获得更大的额定电流。然而，如果续流二极管的尺寸不做相应调整，igbt电流的提高是相当有限的，因此二极管也需要具有高电流密度和低的正向导通电压。图3 cal和cal-hd二极管芯片的通态特性通过控制轴向载流子生命周期，使用前面描述过的cal技术可以获得上述问题的解决方案。新的cal-hd(高密度)芯片和图2的结构基本上相同，但是复合中心的轴向分布图做了修改4。该修改使正向导通电压大大降低(图3)。因此，对一额定的电流等级，芯片尺寸可以减小，通态电压的温度系数也得到改进，在额定电流附近变成正的，这是一个有用的特性，当电流大于单管的额定电流而需要二极管并联使用时可以自动获得均流功能。在小电流段，尽管温度系数稍微接近负值，但相对于现存的cal二极管，该参数值在二极管并联使用时不再对电流均流起关键影响。人们正在深入研究几十个cal-hd芯片的并联使用，以期望根据正向通态电压对芯片进行预选的工序可以省却。目前在二极管并联使用的场合cal芯片是需要预选的。图4 逆变电路中cal和cal-hd二极管的损耗新的cal-hd二极管采纳了cal二极管的软恢复特性，反向峰值电流只稍微高一些，即使在很低电流的情况下，反向峰值电流也不变。在udc=900v，dif/dt值超过10ka/s.cm2下的实验成功表明高的动态稳定性使得该种二极管适合高开关频