英飞凌各代IGBT模块技术详解

1、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，九十年代初迅速开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、大电流方向开展 GTR 的优点， 克服 MOSFET的缺点等综合优点，因此 IGBT开展很快，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

2、从低频迅速迈入了高频电力电子阶段，并使电力电子技术开展得更加丰富，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 芯片开展经历了三代，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。11 GEGSiO. CPT型 IGBT 是在厚度约为 300 500 m的硅衬底上外延生长有源层， 在外延层上制作

3、IGBT 元胞。 PT-IGBT 具有类 GTR 特性，在向 1200V 以上高压方向开展时，遇到了高阻、 厚外延难度大、本钱高、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 NPT - IGBT 概念。由于随着 IGBT 耐压的提高，如电压 VCE 1200V,要求 IGBT 承受 耐压的 基区厚度dB100 巩在硅衬底上外延生长高阻厚外延的做法，不仅本钱高，而且 外延层的掺 杂浓度和外延层的均匀性都难以保证。

4、1995年，西门子率先不用外延工艺，采用区熔单晶硅 批量生产 NPT - IGBT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“ DN2K列。如 BSM200GB120DN2。“DN2列最正确适用频率为 15KHz 20KHz，饱和压降 VCEsat=2.5V。DN 踹列几乎适 用于所有的应用领域。西门子在“ DN 踪列的根底上通过优化工艺，开发出 “ DLC列。“ DLC 系列是低饱和压降，VCEsat=2.1V ,最正确开关频率范围为

5、 1KHz 8KHz。DLC列是适用于变频器等频率较低的应用场合。后来 Infineon /EUPEC 又推出短拖尾 电流、高频“KS 俟列。“KS 帝列是在“DN 如勺根底上，开关频率 得到进一步提高，最正确使用开关频率为 15KHz 30KHz。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拟高fK 20KHz 的应用场合。在这些应用领域，将逐步取代 “ DN浜 列。EUPEC用“ KS 思片开发出 H 一桥四单元IGBT 模块, 其特征是内部封装电感低， 本钱低，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 IGB

6、T 模块中“ DN2 “ DLG “ KS 城用 NPT工艺，平面栅结构，是第二 代 NPT-IGBT。三、IGBT3 IGBT3 一沟槽栅(Trench Gate)在平面栅工艺中，电流流向与外表平行时，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外表的反型沟道。这样IGBT 通态压降 中剔除了 JFET 这局部串联电阻的奉献，通态压降可大大降低。Infineon /EUPEC 1200V IGBT3 饱和压降 VCE(sat) = 1.7V电场终止层(F

7、ield 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 层浓度局，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。 C图 1.3沟槽栅+ FS IGBT 结构图EUPEC 第三代 IGBT 有两种系列。后缀为 “KE舛勺是低频系列，其最正确开关频率为1K 一8KHz。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，

8、 北京 晶川公司在中国已完成用“ KE系列代替“ DLGC 列的工作。在 “ KE的根底上，采用浅沟槽和优化“ FSf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“ KT 的标志。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 8KHz 15KHz的应用场合。在开关频率 fK 8KHz用中，“KT3B匕“KE狒关损耗降低 20%左右。Infineon / EUPEC 600V 系列 IGBT3 后缀为“KE3；是高 频 IGBT 模块，开关频率可到达 20KHz，饱和压降为 1.50V，最高工作结温可高达175 C。Infi

9、neon /EUPEC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 200 m ,IGBT3 后缀为“KE3 勺，厚度为 140 m左右；后缀为 “KT35片厚度进一步减薄到120 m左右；600V IGBT3 其芯片厚度仅为 70 m 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。IGBT3 采用了当今 IGBT 的最新技术沟槽栅+电场终止层， 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 EUPEC称之为第三代，正如在其型号中

10、的电流标称一样，总是按图 1.4 EUPEC 三代 IGBT芯片技术比照总之，Infineon / EUPEC是目前最优异的 IGBT 产IGBT 技术。Infineon /TC = 80 C来标称，让eupSEe He-mob蚓蜜愚;rnrIGBT_Gwn_onHighly P-dopedSubstrate WaferzOpbmied Rear Surface Faster swrtch-onLower Sw Ming Loss improved Ruggednessimproved Injection of Electronsb Trench Gate & Reduction of

11、Chip Thrckness wrtn F eld-stopTednnoiogyLower Conduction tossLoer Switch ngLOSSRobust like MPTPaunch Throu jrt广品来说话，让用户来评判。r : jhiateColleCOJ图 1.6 EUPEC 600V 系列 IGBT 模块芯片特征参数Advantages of NPT/FS ChipsEUpECEasy Paralleling of Chips & ModulesPositive temperciture coefficient for /ce sat hence no t

12、hermal run-awayFast SwitchingLow Tail Current (60% less tail charge)Low Switchoff Lass High RuggednessLimiting short-circuit current by chip itselfNPT: (6*8) All tuptc IGBTmodulesuse InfinwnIGST chips, which m NPT m Tr-mh FS chips,A IGBT chips used by eupec module have very dosed distribution of Vce

13、_sat euj.ec does not perform chip selection for paralleling of chiss.Moreover, chips used in one module are all Trom ttie same production lot.No additional eiectranics txiih in lhe chips for limiting s眄rbdrcuil current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 / In

14、fineon 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Chip Technologies for 6DW ModulesL JW L-UW K ijHnll.CLCfi ErtiK13TuhriclogPIRTrIGBT七新5MPIf5nion#ErIWi-M M1 JW1.*13$Swi暗niw，Tr*qurKV ftr -J* MbJ Vh- LHr_Tv meM 5 -C1Tv op marN =崛；JCpanv H|Bk a r UBeupec图 1.8 EUPEC

15、1700V IGBT模块芯片特征注：600V DLC KE3!高频器件，可工作在 20KHz ;2“KE3 最高结温可达 175 C。EUPEC2、EUPEC 1200V IGBT 模块芯片特征参数：tT1rJX,Chip Technologies for 1200V ModulespBn itEfiErxua a nd2eupec1汹汹 nchdl 2Gen,DN2/KF4Lw 1域咨域咨 2Gfi-DLC J K_4CShan TJi|KS4rench FS 3GenKE3Trench FS 3OnKT3TfrchnclocyMPT村卧村卧 trL. wIcAJnfi 卬卬 kwnHPTD

16、bMbwG.博才博才 wwir-riGqj&nrjiTrirash 日让日让-曜曜午午IraicF-卜卜 14wMlrJ HW 玷心吐玷心吐fnqLScyGBT5*CX3.1七七 F17KI1:i.i9 Jl.c3_0i1 *01函函(BICWIGUIETTCEbnOHi (E 忒忒 W Fant / CML) ECim-HE 甘甘 Ya FosEMm-HEDiode15Xt.eJLTvt(V)125X1.BiJ1TJ 51.&5F一1nquencV1iA kMFi hW. Lh?fl M r叩叩 o 网网 DDAMedjLM Wto MAM图 1.7 EUPEC 1200VI

17、GBT模块芯片特征参数注：晶川公司将逐步推广“ KS 芯片以替代“ DN 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；2晶川公司已完成在变频器等开关频率fK 10KHz 的应用领域，用 “KE3 弋替“DLC 系列;3对于 fK 15KHz 的应用场合，我们将逐步推广EUPEC “KT3系列，来取代 KE3 系列；4后缀为“KF 狱KL4C是指 EUPEC IHM的芯片分类标志。3、EUPEC 1700V IGBT 模块芯片特征：Cnip I eshnolog es tor 1 Modulfis割村割村 1*SALDN2J KF*LQWi Ki,DLC

18、/KF6B2Hg 心心 i y* 5ElhF- atnnic ymMF-:-r-ILL1: r.TT-:.:IGBTarcISan16CCJ cS 1*3 4-EIHCM:tT-.cinin fl*TSX111.13(?CAA5Switchlinai*3 h 褊褊 4岫：岫：3 glhM f kHi-HMM* H P|0Heuppc注：随着器件耐压的增高，IGBT 的开关频率相应下降，推荐表中仅仅是最正确使用频率 范围，假设选择额定电流大一些的器件，也可在较高频率中使用；21700V系列，根据电流不同，可提供“DN2; “DLC/ KF6CB2 ; “KE3 等三种芯片的IGBT 模块；3“KF4或“KF6CB2 是指 EUPEC 大功率IHM 模块后缀。 EUPEC4、EUPEC 3300V IGBT 模块芯片特征：Chip Technologies far 3300V ModulessandaKl r*GarKF2KL2Tenhoio(jyKPT知知* L 门门息息 1叫叫尊尊 FYI* 5