罗海辉-高功率IGBT关键技术

株洲中车时代半导体有限公司罗海辉2022年1月5日2功率半导体在电网系统的应用3一、功率半导体在电网系统的应用口口口风电、光伏新能源发电领域输变电、电能质量改善领域高效、大容量储能领域轨道交通、新能源汽车领域IGBT(绝缘栅双极晶体管)覆盖“源网荷储”全能源产业链4表PNPN晶体管文章只晶闸管产品司研制出MOS场效应晶体管■2001年Cree正式形成商品化的SiC肖特基二极管中国中车D(左)在GE开发出首只锗功率二极管隔数月分别发明了集成电路8212模频利中明确提出IGBT工作原理■2011年Cree推出了市场上第一个SiC功率MOSFET基础材料、芯片设计和封装技术的突破，应用的顶层牵引，共同推动了功率半导体的进步5中国中车一、功率半导体在电网系统的应用中国中车口晶闸管■击穿电压高(商用8500V,最高可达NPNPP6中国中车一、功率半导体在电网系统的应用中国中车功率MOSFET可实现中等功率等级应用(<1200V)0n-drif古超结MOS(CoolMOS)[2mm²10十FromDr.LeoLorenz(InfineonTechnolog7一、功率半导体在电网系统的应用中国中车口IGBT(绝缘栅双极型晶体管)■耐压高，电流处理能力强，应用范围广(750V~6500V,100A~3600A)pudlpwel8中国中车一、功率半导体在电网系统的应用中国中车耐压高，电流密度大，应用范围(750V~10kV级，10A~800A)SiC材料具有如下特点：·禁带宽度大：为Si的2.91倍；·击穿电场强：为Si的15倍；·电子迁移率适中：为Si的0.84倍；·电子饱和速度高：为Si·导热率优：为Si的3.27倍。9一、功率半导体在电网系统的应用口SiC晶体材料中国中车一、功率半导体在电网系统的应用中国中车口基于晶闸管的高压直流输电技术：大容量、远距离的输电，实现“西电东送、全国联网”战略口基于IGBT的柔性直流输电技术：新能源并网、孤岛供电、直流电网建设等提供有效解决方案口柔性直流输电将在区域电力互联、大容量远距离输电、清洁能源接入各个领域发挥重要作用o一、功率半导体在电网系统的应用中国中车■更低损耗：柔直IGBT阀损耗占比0.6~0.8%,LCC晶闸管换流阀损耗占比0.4%甚至更低管技管技术T1电容器电容器风周属风周属2通流能力/A关键技术中国中车中国中车口高功率容量压接式IGBT更大容量更大容量更低损耗更低损耗更高结温更低热阻更高可靠性■大尺寸：有源区占比大幅增加(4500V:13.5x13.5→21×21,有源区占比提升13%:60%→73%)(128芯片)(52芯片)(128芯片)(52芯片)六角形“U”六角形“U”形槽元胞结构二、高功率容量压接式IGBT■柔性压接技术：芯片由独立的碟簧组件提供压力，芯片压力均匀性优■柔性压接可便捷实现模块内部并联芯片数量增加，提升功率容量VcEVce[V]Vce[V]钼片柔性压装技术柔性压接压装效果3.7倍额定电流关断17二、高功率容量压接式IGBT关键技术■方形陶瓷管壳封装技术：相比圆形封装，空间利用率提升37%■大尺寸方形陶瓷管壳应力释放技术：可以实现300mm以上方形尺寸陶瓷管壳冷压焊方形和圆形管壳利用率对比中车压接式IGBT18二、高功率容量压接式IGBT关键技术中国中车口更低损耗—高压沟槽栅IGBT技术降低10%,Eof降低32%)s802.2沟槽栅IGBT4中国中车中国中车■相比于传统终端结构，工作结温更高(150℃),漏电更低，可靠性更强钝化层氧化层钝化层氧化层属0新一代场限环+阻性场板终端结构HTRB试验中国中车二、高功率容量压接式IGBT关键技术中国中车热阻可下降30%,FRD热阻可降低60%nU降低60%降低30%,逆导IGBT与常规IGBT热阻比较■中车逆导浪涌电流能力：中车3000A/5200V逆导IGBT器件I²t能力是常规器件的3倍以上二、高功率容量压接式IGBT关键技术■开发大尺寸芯片量产双面银烧结技术，攻克大面积芯片银烧结应力难题■烧结层厚度不均匀性在微米范围内，产品的厚度分布控制在15um以内均匀的银烧结层显微图片中国中车二、高功率容量压接式IGBT关键技术中国中车低温纳米银烧结技术，同步降低产品接触电阻，热阻降低12%以上相比常规焊层，产品温度冲击能力提升20倍以上银烧结产品实物图锡铅焊片焊接温度(℃)熔点(℃)热导率(W/mK)电导率(MS/m)抗拉强度(