英飞凌各代IGBT模块技术详解精编版

1、最新资料推荐英飞凌各代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

2、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 。11 GEGSiO> C图1.1 PT-IGBT 结构图PT型IGBT是在厚度约为300 500卩m的硅衬底上外延生长有源层，在

3、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 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dB>100 um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

4、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。t Gf EGso2图1.2 NPT-IGBT 结构图西门子/ EUPEC IGBT2 最典型的代表是后缀为“ DN系列。女口 BSM200GB120DN2 。“DN2系列最佳适用频率为 15KHZ 20KHZ，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

5、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Infineon /EUPEC又推出短拖尾 电流、高频“ KS係列。“ KS係列是在“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 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较高（fK > 20KHz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，EUP

6、EC IGBT 模块中“ DN2” “ DLG” “ KS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。Infin eon / EUPEC 1200V IGBT3饱和压降 VCE(sat) = 1.7V电

7、场终止层(Field Stop )技术是吸收了 PT、NPT两类器件的优点。在FS层中其掺杂浓可以明显减度比PT结构中的n+缓冲层掺杂浓度低，但比基区n 层浓度高，因此基区单晶硅薄(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, 难度较大。冬晶硅ESi O?p11« 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“ 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

8、变频器应用中，北京 晶川公司在中国已完成用“ KE系列代替“ DLC系列的工作。在 “ KE的基础上，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8KHz 15KHz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。Infin eon / EUPEC 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

9、CInfineon /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卩m ,IGBT3后缀为“ KE3勺，厚度为140卩m左右；后缀为 “ KT3芯片厚度进一步减薄到120卩m左右；600V IGBT3其芯片厚度仅为 70卩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，正如在其型号中的

10、电流标称一样，总是按产品来说话，让用户来评判。总之，Infin eon / EUPEC是目前最优异的IGBT产IGBT 技术。Infin eon /TC = 80 C来标称，让eupSEIGBT Chip Technologies9Paunch Throu jrtn' s .£宮.rnrZ 182” r ： ； :出严占注ColleCOJOpbmlerf Rear Surface* Faster Switcn-onHighly P-dopedSubstrate Wafer Lower Swftcning Loss -improved Ruggednessimproved In

11、jection of Electrons b Trench Gate & Reduction of Chip Thrckness wrtn F eld-stop TecMnoiogy Lower Conduction toss Loer Switch ng loss Robust like MPT图1.4 EUPEC 三代IGBT芯片技术对比Advantages of NPT/FS ChipsELipEC Easy Paralleling of Chips & ModulesPositive temperature coefficient for Vcesat hertce n

12、o thermal run-away Fast SwitchingLow Tail Current (60% less tail charge)Low Switchoff Lass High RuggednessLimiting short-circuit current by chip itselfnpt： (6-3) * ic_nom FS: 4 x lc_nom ( Vge - 15VJTime of withstanding: 10 is.r All tuptc IGBT mcduies use Inf into n IGBT chips, wiiich arc NF*T or Tre

13、nch F$ chips,A IGBT(ilps used by eupec module have very dosed distribution of Vce_sat尸 eut：已匚 does not perform chip selection foi parallebng of chrps.< Moreover, crtips used m one module are all from ttie sane prodiictian lot.> No additional etectranics Duitt in the ch ip首 for limiting srt-cir

14、cuit 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 / Infin eon 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L jw L-uw k i*右CLCf甘* "FfmrtiK13TuhriclogPIRTrIGBTJ 7f8*e惟FC5nion#ErIWi-Vi M2匚1 JW1.*H?rc：Swimiiw Tr*qu«rKV&

15、KPlr -J* MbJ (* >»LHrTv rn«M 三'-b -'C1Tv ap rna-H =毗 JCChip Technologies for 60汕 Modules图1.6 EUPEC 600V 系列IGBT模块芯片特征参数panv k r a r iibeupec注：600V “ DL和“ KE是高频器件，可工作在 20KHZ ; “KE3最高结温可达 175 C。EUPEC2、EUPEC 1200V IGBT 模块芯片特征参数： JX. * n V t|l41RT39UB nci PLOT'Chip Technoloqies f

16、or 1200V ModulesEUpet1Sldndniridl 2Gen,DN2/KF4Lw2G«fi-DLC； K.4CShan TJi| 2G«ni.KS4_rFnch FSFnenrh FSnKE3KT3TfrchnclocyMPTelliiwrL. wIcAJnfi “ kwn回HPTDbMbWG .笊第riGqj&nrjiIraicF-卜 14 T#E>d|： wMlrJ HW 14們nqh faqiscy-BTW5*C3.1* 117IS(»'Ci.i9 Jl.c3_0i1 M01S f&iCwiGALIEttCrbn

17、O»Hi CEnnCfl Fant / CML)=：nCgm-HEl'&TCcir FflSIEnC-HEDiddeVr(viZ5 C23t.eJL?125X1.Bi j1Tt 51用IbiullRequenc0' V1i LH? 卸曲a kMp1. A Lh? KH3)卧日皿幣lip 0睜DDAMedjLM Wto 3D-3<A图1.7 EUPEC 1200VIGBT模块芯片特征参数注：晶川公司将逐步推广 “ KS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

18、fK< 10KHz的应用领域，用 “KE3代替“DLC系列; 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； 后缀为“KF4或“KL4C是指EUPEC IHM的芯片分类标志。HMM* H P "|0Heuppc3、EUPEC 1700V IGBT 模块芯片特征：Cnip I eshnolog es tor 1 Modulfis剤也1* gm.DN2J KF*lqw y iDLC/KF6B2Fl UIKII 尸 Catll Elr住馆甌hF-itnnic 貨 y耕MF-:-r -ill1 : r. tt “:.:IGBT30"CISan1£6CCJ cS 1*3 4-EihCm:tT-.cinriadi*TS'C2.41.«1”吃O3witchlin» fr#c|u>ri3 h 沿 4|lwH« 3I>H*2hM« f kHi-图1.8 E