SPT芯片结构高压IGBT模块在SOA上的新基准

SPT芯片结构的HiPak™高压IGBT模^在SOA上的新基准M.Rahimo,A.Kopta,E.Carroll

ABBSwitzerlandLtd,Semiconductors,Fabrikstrasse3,CH-5600Lenzburg,Switzerland摘要：本文中，出现了新的高压HiPak™IGBT模块系列(电压额定值从2.5kV到6.5kV)。我们证实了这些HiPak™模块，应用了ABB最新研制的HVSPTIGBT和二极管技术，使得其SOA第一次达到破纪录的最高。新元件整体的电特性都很优异，可以承受关断和短路这样极端的工作条件。因此，对于给定的电压等级，我们制定了其在SOA工作能力的最新基准。HiPak™highvoltageIGBTmoduleswithSPTchips

settingnewstandardsinSOAperformanceAbstract:/〃thisarticle,thenewhighvoltageHiPakTMGBTmodulefamilywithvoltageratingsrangingfrom2.5kVto6.5kV,ispresented.Forthefirsttime,therecord-breakingSOA(SafeOperatingArea)oftheseHiPak™modulesusingABB'snewlydevelopedHVSPTIGBTsanddiodesisdemonstrated.Thenewdeviceshaveexcellentoverallelectricalcharacteristicsandarecapableofwithstandingextremeconditionsduringturn-offandshortcircuitoperationtherebysettingnewstandardsinSOAcapabilityforagivenvoltageclass.1引言IGBT和二极管的发展趋势是SOA的范围越来越宽。原因是许多应用中，元件在硬开关条件下工作。如：牵弓|、工业驱动和高压直流输电HVDC）。与低压和中压元件（额定值低于2000V）相比，以前的高压元件的SOA能力较低。这是因为元件结构上的物理限制和它承受了更苛刻的工作条件所致（主要是在更高的直流环节电压方面）；并且，要折衷考虑损耗和SOA能力，进一步限制了高压元件的设计。为确保高压元件不会超过其SOA的限制，元件制造商和系统设计者不得不考虑许多工作条件的限制，例如大的门极电阻或电压箝位。这一点需要根据大功率电子系统的性能、尺寸和成本，来增加（用于保护、控制和减少额定值）元件数，这只是一种次优的设计。图1为HVIGBT模块电流HiPakTN系列的两种标准的外形图。图1：2500V-6500VSPTIGBT和二极管技术的最新HiPak™工业标准封装图我们将在后面证明，这种产品体系建立了高可靠应用方面（如牵引）耐用的新基准。耐用性说明了其有更高的安全工作区和在关断时低的门极驱动电阻。反过来，允许更低的关断损耗。利用SPT（软穿通）芯片技术，它的开关过程更平滑，使得用户设计使用时更加自由，不必过分考虑在关断时的dv/dt或尖峰电压限制。本文中首次解决了这一难题。对高压SPT-IGBT来说，不仅存在临界的，从前不能证实的动态雪崩阶段，而且也存在与之相随的静态雪崩。以前，这种情况只出现在低压MOSFETs元件中。如图2所示，这些新的模块扩展7SOA限制，是大功率高压变换器的设计者们期盼已久的，可以方便使用的新元件。图2：扩展了SOA限制的HV-IGBTs和二极管新模块的SOA能力如图中灰色区域，对用户来说，与传统可用的模块相比，有双重的优点：首先，系统可以有更大的安全工作区。其次，如图中所示的绿色的SOA，提供了新的范围更大的参数限定。2高压芯片组技术为了使IGBT和二极管达到很好的静态和动态特性，最新的IGBT和二极管技术采用了软穿通的概念。这种方法与从前的技术相比，大大的减少了整体元件的损耗。增加了一个深的、低掺杂的SPT缓冲层，使元件与NPT结构设计相比，总厚度减薄了20%。SPT缓冲层能确保像这样的元件维持软关断的特性。当芯片使用在如HiPak™的大电流模块中，，这是必须的。大功率、高电压电路不可避免的有很大的寄生电感，它将在元件关断的时候引起电压尖峰和大的振荡，并诱发电磁干扰(EMI)。SPT除了这些明显的优点外，还表明SPT技术可以使IGBT和二极管的SOA均有大的增加°HV-IGBTT设计平台利用一个先进的、极为可靠的平面单元设计，防止了闩锁效应，使SOA增加。SPTIGBT的输入电容设计可以提供对开通di/dta好的控制，di/dt是门极电阻的函数，在门极-发射极端不需要额外的电容。这一点使IGBT的通态电压延迟更短，其开通损耗大大的降低。.IGBT芯片与高压快速和软恢复SPT二极管一起使用，共同构成有很大优势的SPT-IGBTso高压二极管有一个高掺杂的P+阳极，与低浓度P型阳极二极管相比，SOA特性更好，更加耐用。这是因为二极管在反向恢复期间，在极端的动态雪崩条件下减少了穿通效应。高掺杂的P+二极管反向恢复时减少了阳极周边的强电场和电流密度，使pn结更耐用。为了控制恢复过程和达到高的SOA，通过局部与整体的载流子寿命控制相结合的方法，适当的分布了电子-空穴等离子浓度。最终，在大的电流模块中，并联芯片的均流很好，在通态电压下降时保证了【GBT和二极管的正的温度系数。3HiPak™模块产品系列HiPak™模块是高压IGBT，封装为工业标准封装，尺寸为190X140mm。最初时ABB提供了使用铝硅碳化物(AlSiC)作为基板材料的元件，其有优良的热循环能力，适应于牵引应用。并使用铝氮化物(AlN)作为绝缘材料，使其热阻降低。后来，最新考虑计划铜作为元件的基板，氧化铝(Al2O3)作为基片。提供了两种封装型式，一种的绝缘电压为6kVRMS，另一种绝缘电压为10.2kVRMSo为了应用在牵引这样的场合，且有高的可靠性，我们优化了HiPak™SPT芯片，以适应于恶劣的外部环境。通过平滑的开关特性，元件的工作很可靠。在大功率电子系统(PES)中，在高电感这样的环境下，可靠性是基本的要求。我们采用专门的内部连线和布线，用来减少振荡或芯片之间电流的不均衡。最后，这样的设计通过高温反向偏置(HTRB)、高温门极偏置(HTGB)、温度湿度试验(THB温度85°C/相对湿度85%)、有源功率循环(APC)和温度循环(TC)这些标准的可靠性试验来得以证实。HiPak™电特性我们进一步测试了模块，内容是它们的静态、动态特性和SOA，下面选取了其动态结果。对140X190mm的单开关IGBT的模块，表(1)中总结了其在额定条件下的典型特性。图3显示了，在两倍额定电流(2400A)，高压直流电下，3300V/1200AHiPakTM(5SNA1200E330100)的IGBT的平滑的软关断波形。图4显示在相似的条件下的二极管的相对应的关断曲线。我们注意到，在两种情况下，电流平滑的、没有变化的达到零值。这一点，在图5和图6中，分别为2.5kV和6.5kV的模块，关断条件也为高压直流电下，两倍额定电流，我们可以看到同样平滑的关断。。在试验中，没有有源箝位或吸收电路。耐用的SPTIGBT有另外一个优点，那就是门极电阻很低。因此其在关断时损耗更低，延迟时间更短。而传统的HVIGBT要在额定的电流下安全的关断，必须有一个相当大的门极电阻。新的6.5kV/600AHiPakTM模块充分利用了这一特点，因此SPTIGBT6.5kV模块是第一种可以像低压元件一样工作，即没有dv/dt或峰值电压的限制，而且工作在完整的SOA区。HiPakTM的SOA特性新基准正如前面所提到的，在感性环境(大的杂散电感)下，不仅应具有内在的平滑的开关特性，工作也要可靠，而且，具有吸收产生的存储能量的能力也很重要。如果不可能满足上述要求，则或者降低设备的额定值，或需采用专门的门极单元和结构，但这两种方法的成本都很高。图7显示为在超过4倍额定电流，高直流环节电压条件下，既没有有源箝位，也没有吸收电路的，型号为5SNA1200E330100的3300V模块的关断特性。表⑴电压电流类型编号V-ce一125°CVF„125°CEoff125°CE_on一125°CVdc2500V1200A单只5SNA1200E2501003.1V1.8V1.25J1.1J1250V3300V1200A单只5SNA1200E3301003.8V2.35V1.9J2.0J1800V6500V600A单只5SNA0600G6501004.7V4.0V3.5J4.0J3600V

图3：3300V/1200AHiPakTMIGBT关断时的RBSOA(VCC=2500V,IC=2400A)RGoff=1.5ohm,L图3：3300V/1200AHiPakTMIGBT关断时的RBSOA(VCC=2500V,IC=2400A)RGoff=1.5ohm,LS=170nH,T=125°C,无箝位图4：3300V/1200AHiPakTM二极管在反向恢复时的RBSOA(VCC=2500V,IC=2400A)Rg图4：3300V/1200AHiPakTM二极管在反向恢复时的RBSOA(VCC=2500V,IC=2400A)Rg=0.27ohm,LS=170nH,T.=125°C图7：3300V/1200AHiPakTMIGBT关断时的RBSOA

(VCC=2600V,IC=5000A)RGoff=L5ohm,LS=280nH,T=125°C，无箝位随着一开始集电极电压快速上升,dv/dt随之减小，表示动态雪崩(对没有吸收电路的关断元件是一个重要条件)也随后发生，电压再次迅速上升。最终，电压被限制在4kV的静态雪崩电压。集电极电流没有突变或振荡，平稳的降到零。在电压波形中，有一小的振荡，发生在元件的电压远离静态雪崩电压时，振荡回至直流环节电压的水平，引起发生在杂散电感和元件的结电容之间的谐振。关断时，耗散了14MW的峰值能量。图8显示了3.3kV的模块，在40°C的低温下良好的短路安全工作区(SCSOA)o图5：2500V/1200AHiPakTMIGBT关断时的RBSOA

(VCC=1800V,IC=2400A)Rgff=1.5ohm,LS=110nH,T=125°C,无箝位

图8:3300V/1200AHiP