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650V IGBT4模块的性能参数介绍
发布时间:2019-09-11

  2003年,英飞凌公司提出了使用沟槽和场截止技术的600V IGBT3器件,该产品目前仍然是IGBT器件特性的标准。然而,这种600V IGBT3 主要适合小功率应用或者杂散电感很低的大功率应用。在器件开启及关断时,杂散电感与电流变化量的结合影响着器件的电压特性,可以表示为V=LdI/dt。因此,如果器件关断时电感L较大,过压就会很高。当前,为了给不同电路的大电流应用提供更多的选择,一种全新的芯片650V IGBT4 已设计完成。

  与600V IGBT3一样,新的650V IGBT4也是采用了沟槽的MOS-top-cell薄片技术和场截止的概念(如图1 所示),但与600V IGBT3相比,芯片厚度增加了大约15%,并且MOS沟道宽度减小了大约20%(图1中的红色部分),因此通过减小电磁干扰改善了关断时的软度,同时获得了更高的阻断电压能力。沟槽和场截止的结合使通态损耗和关断损耗仍相对较低。当然,上述措施自然也会引起附加的损耗。为了补偿相应的影响,背面发射极的效率增加了50%。 结果,650V IGBT4器件关断时软度得以改善,即正向过冲电压降低,关断电流变化率dI/dt减小;同时阻断电压增加到650V。另一方面,正向电压仍然较低,开关损耗只有适度的增加。

  与600V IGBT3相比的改进在图中已示出:增加了芯片厚度(y),减小了沟道宽度(z),增加了背面P发射极效率。

  相比于600V IGBT3,新型650V IGBT4器件的饱和电压VCE,sat有轻微的增加(~100mV),同时Eoff也有增加,主要原因在于器件具有更软的开关行为。如图2和图3所示,软度的改进是显而易见的。

  图2在25℃,600A电流关断时, 600V IGBT3 (a)和新型650V IGBT4 (b)在关断时的软度比较(在EconoDUALTM3模块上测量)。图中示出了电压VCE(黑色曲线)、集电极电流IC(红色曲线)及栅极-发射极电压VGE(绿色曲线)的变化情况,对于IGBT3,在200V的直流电压下,已经有震荡发生;而新型650V IGBT4即使在300V直流电压下仍表现为软的开关特性。

  图2 中对EconoDUALTM3的开关过程进行了比较。这种特殊的高电流电路对600V IGBT3并不太合适。因此,在25℃、200V的直流电压下,对600A电流关断时, 600V IGBT3会产生一个很高的过冲电压VCE,max和阶跃震荡。相反,特别为这种高电流应用相对应的模块类型设计的650V IGBT4,即使直流电压加到300V,仍然显示出平滑的关断特性和很低的过冲电压VCE,max。

  从图3可见,通过比较软度参数VCE,max和电流变化率dI/dt,两种器件开关特性的差异也是很明显的。我们在25℃的温度下,将器件安装在DBC表面,对600V IGBT3进行了的测试;对新型650V IGBT4,则进行了几种不同变体的测试,包括最终的目标设计。通过对600V IGBT3和新型650V IGBT4最终变体的测量结果比较,我们可以看出650 IGBT4与600V IGBT3相比,最大过冲电压VCE,max减小了大约40V,同时关断电流变化率dI/dt下降了20%。

  包括电流变化率dI/dt和最大过冲电压VCE,max,器件则包括600V IGBT3和新型650V IGBT4(红色菱形)及其不同变体(小的红色三角形)。所有的数据均为在25℃、在DBC表面、同样的条件下测试。对于新型650V IGBT4的最终变体,最大过冲电压VCE,max比600 IGBT3减小了大约40V,关断电流变化率dI/dt下降了20%。

  另一方面,在关断时更软的开关行为必须付出更高的损耗。但是考虑到常规的开关频率,这种损耗增加无关紧要。该事实可以在图4明显看出:图4是IPOSIM的模拟结果。IPOSIM,是Infineon公司设计的一种功率仿真程序,可以在Infineon 网站()找到。它可以完成针对所有组件的开关和导通损耗的计算,不但考虑通态和开关损失,同时也考虑热额定值。从图4 可以看出,由于650V IGBT4的损耗增大引起的模块电流有效值的减小是很少的,在12kHz以下处于3%到7%的范围之内。而12kHz以下是常规应用典型的开关频率范围。

  尽管场截止型场截止型IGBT相对于非穿通型的设计相当程度的减小了硅片厚度,但它仍然具有良好的短路鲁棒性[2,3]。与原来的600V IGBT3相比,新型650V IGBT4,短路鲁棒性有显着的增强。硅片厚度的增加,带来硅片体积热容量的增加,从而可以提供更大的热预算。 另外,沟道宽度的减小降低了短路电流的水平(这种效应见于[4])。总之,650V IGBT4 可以抵抗更高的短路能量,从而使器件能够耐受更长的短路脉冲时间而不会损坏。

  图5中所示为650V IGBT4短路脉冲测试结果。曲线示出,短路脉冲时间达到了15s,并且短路电流通常约是200A器件标称电流的4.5 倍。尽管由于热的失控,短路的结果后来导致了器件的损坏(图中没有示出),然而短路关断结果本身是成功的。对典型器件,热损坏的极限是15s,低于这种条件,即使脉冲时间达到14.5s,器件通常都能耐受下来。考虑到工艺能力的要求,可以说在Tvj=Tvj,op时,器件的额定最大短路脉冲耐受时间从600V IGBT3的6s提高到目前的新型650V IGBT4的10s。

  图中集电极-发射极电压VCE(黑色曲线)、集电极电流IC(红色曲线)、栅极-发射极电压VGE(绿色曲线,右侧纵坐标),测试条件:VCE =360V, VGE =15V, Tvj =150℃。

  最大电流是指在在不影响设备安全状态下,所能承受的电流的一个极限值,一般只是允许短时间的出现,开奖直播,否则会引起设备损坏。

  电机的最大工作电流是电机可以长时间工作的工作电流,一般可以达到额定电流的1.2倍左右,一般由于设计功率计算不当而导致电机选择偏小,但是在超过额定功率的情况下电机可以持续工作,此时的工作电流是最大工作电流,

  电动机的起动电流=堵转电流=最大电流,三者是同一数值。对于常用的Y系列三相异步电动机来说,起动电流是额定电流的5.5~7.0倍,不同功率、不同转速的电机略有差别。最大瞬间电流三相交流电是额定电流的1.732倍,两相交流电是1.414倍。

  最大短路电流则是在设备承受极限电流之后,在迅速断开之前,所承受的电流不会对设备造成破坏性损坏的最大瞬间承受电流。

  额定最大电流:设备在满足准确度、安全性、可靠性的同时允许设备长期运行的最大电流。

  一种特别为大电流应用设计的IGBT器件新型650V IGBT4研制成功。该器件可用于相应的模块,例如62mm,EconoDUALTM3和EconoPACKTM4。该IGBT器件的特征在于改善了关断的软度,即显着减小了过冲电压VCE,max和电流变化量dI/dt的值。该器件使得在更高的直流电压和(或者)连接更大电感的情况下,关断EconoPACKTM4变为现实。另外,这种新型650V IGBT4提供了更高的短路鲁棒性,可以耐受10s的脉冲时间。新型650V IGBT4 具有更好的开关行为,而依旧只有适度的损耗,这种特性使得更好的短路事件管理成为可能:利用10微秒的耐受时间,进行短路情况下的电流探测(比如利用开环Hall 传感器等)。

  另外,Infineon IGBT模块内部装配技术的最优化提供了显着的能量循环(PC)的改善。这样至少可以确保在PN 结工作结温Tvj,op=150℃时有优秀的PC寿命预期,或者在用户选择较低结温下有更长的PC寿命。650V IGBT4在设计工程师使用时能提供更有效的自由度。

  这种新一代的半导体器件将被用在大家熟知的和未来的IGBT 模块中。由于前述的众多改进,对不同的应用需求,新一代的IGBT4 模块都将是一个明智的选择。

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