1200-В IGBT с обратной проводимостью (RC-IGBT), оптимизированные для работы в режиме жесткой коммутации

Введение

До недавнего времени IGBT-модули широко использовались в промышленных приводах, на гибридном транспорте, в возобновляемых источниках энергии, где главное внимание уделяется энерго­сбережению. В большинстве подобных приложений заказчики нуждаются в более компактных модулях для снижения стоимости и габаритов системы. Однако с уменьшением размеров силовых ключей растет плотность мощности и температура IGBT-кристаллов. Эти тенденции оказывают негативное влияние на надежность и срок службы силовых модулей. Для того чтобы повысить надежность компактных IGBT, необходимы инновационные улучшения технологий производства чипов и корпусирования модулей. С этой целью нами разработаны кристаллы IGBT с обратной проводимостью (RC-IGBT), установленные в новый компактный корпус.

Данная статья посвящена функциональным особенностям и характеристикам RC-IGBT, который по сути является транзистором IGBT, одновременно выполняющим функции FWD. Применение RC-IGBT позволяет отказаться от FWD-чипов, что обеспечивает более эффективное использование монтажной площади модуля. Многие исследователи уже сообщали о RC-IGBT [1–4] в прошлом. Как правило, такие приложения работали главным образом в режиме мягкой коммутации из-за больших токов обратного восстановления и высоких потерь переключения. На самом деле в большинстве современных инверторов в моторных приводах или преобразователях мощности предусмотрен режим жесткого переключения. По этой причине до сих пор RC-IGBT редко применялись в подобных системах. В данном отчете мы представим RC-IGBT, предназначенный для режима жесткой коммутации, и продемонстрируем, что он имеет большой потенциал для применения в приводах и силовых преобразователях.

Рис. 1. Поперечное сечение структуры RC-IGBT

Поперечное сечение структуры RC-IGBT показано на рис. 1, а вид кристалла сверху — на рис. 2. Как видно из рис. 1, RC-IGBT по существу представляет собой тонкопленочный FS IGBT (Field-stop IGBT) с канавочным затвором (Trech-gate). Структура затвора и толщина чипа RC-IGBT такие же, как у новейших обычных IGBT шестого поколения (серия V) [5]. Как показано на рис. 2, зоны IGBT и FWD в структуре RC-IGBT расположены в виде полосок. Процесс изготовления пластин почти такой же, как и у шестого поколения IGBT. Дополнительные технологические процессы при производстве RC-IGBT — это контроль продолжительности жизни носителей и ионная имплантация при фотовытравливании обратной стороны для образования обратной p‑n‑структуры.

Рис. 2. Вид сверху структуры RC-IGBT

Чипы IGBT установлены во вновь разработанном компактном корпусе, который отличается низким тепловым импедансом и высокой надежностью [6–9]. Сравнение между обычным (слева) и новым конструктивом (справа) показано на рис. 3.

Рис. 3. Сравнение между стандартным (слева) и новым корпусом (справа) модуля

Компактность

В обычном конструктиве используются алюминиевые проводники для подключения чипов и печатные трассы на DCB-подложке для соединения чипов и терминалов. Для этого требуется определенное пространство на подложке. В предложенном нами новом корпусе медные выводы использованы вместо алюминиевых проводников, а силовая соединительная плата — вместо трасс на DCB-подложке. Медные штыри вертикально припаяны к чипам, над которыми размещена соединительная плата. Данная технология не требует пространства для сварки проводников и размещения схемных соединений на подложке. Поэтому габариты этого корпуса составляют менее половины от обычного конструктива, как можно видеть на рис. 4.

Рис. 4. Сравнение корпусов модулей 1200 В/100 А

Низкий тепловой импеданс

В качестве изолятора в новой структуре использован материал Si₃N₄, чья теплопроводность вдвое лучше, чем у широко распространенной керамики Al₂O₃. Кроме того, в новой структуре использованы толстые медные пластины на обеих сторонах керамической подложки. Эти пластины эффективно распределяют тепло между чипами и радиатором охлаждения. В результате тепловое сопротивление нового модуля составляет менее половины от показателя стандартного корпуса.

Высокая надежность

На надежность IGBT-модуля основное влияние оказывает стойкость к термоциклированию. В ходе теста на термоциклирование самыми слабыми местами стандартной структуры оказались сварные соединения проводников с чипами и слой припоя между чипами и DCB-подложкой. Как объяснено выше, новая структура исключает применение сварных проводников, поскольку они заменены медными выводами, поэтому стойкость к термоциклированию нового корпуса больше всего зависит от срока службы слоя припоя. В новом конструктиве эпоксидная смола применена в качестве материала наполнителя вместо силиконового геля. При испытаниях на термоциклирование эпоксидная смола создает эффект рассеивания теплового напряжения в паяных слоях благодаря своей жесткости. Следовательно, концентрация тепловых стрессов в этих слоях существенно снижается, что приводит к увеличению срока службы паяных соединений. Таким образом стойкость нового конструктива к термоциклированию значительно улучшена, как показано на рис. 5.

Рис. 5. Сравнение стойкости к термоциклированию

Характеристики RC-IGBT

Площадь активной области и размеры чипа нового RC-IGBT показаны в таблице 1. Референтными являются параметры шестого поколения чипов IGBT и FWD 1200 В/100 A. Активная область RC-IGBT состоит из зоны IGBT и зоны FWD (рис. 2). Активная область RC-IGBT такая же, как у шестого поколения IGBT и шестого поколения FWD. Несмотря на то, что активные области одинаковы, размер чипа RC-IGBT на 9,4% меньше, чем чипа шестого поколения IGBT и шестого поколения FWD, поскольку обычные IGBT и FWD нуждаются в двух краевых зонах для транзистора и диода, а RC-IGBT имеет только одну краевую зону.

Рис. 6. Выходные характеристики RC-IGBT (Conditions: условия измерения)

Тепловое сопротивление «чип-корпус» (R_th(jc)) указано в таблице 1 с учетом того, что каждый чип установлен в обычном корпусе. Величина R_th(jc) на 38% ниже, чем у обычного IGBT. Тем не менее это значение очень близко к R_th(jc) других стандартных IGBT, чья активная область такая же, как у RC-IGBT. Причина, по которой величина R_th(jc) RC-IGBT близка к показателю обычного IGBT того же размера, понятна из рис. 2. Зоны IGBT и FWD в структуре RC-IGBT располагаются поочередно, расстояние между двумя соседними областями менее 0,3 мм. Поэтому температура зон FWD и IGBT почти одинакова. В результате, когда ток проходит через IGBT, области FWD излучают тепло так же, как и области IGBT. Активная область теплового излучения RC-IGBT состоит не только из зон IGBT, но и FWD, а потому величина R_th(jc) RC-IGBT очень близка к показателю обычных IGBT.

Рис. 7. Выключение RC-IGBT

Выходные характеристики RC-IGBT и стандартных IGBT и FWD показаны на рис. 6. Транзисторы RC-IGBT имеют такие же выходные характеристики, как IGBT и FWD. Кривые V_ce(sat) и V_F у RC-IGBT образцов A к C сильно смещены из-за сокращения времени жизни носителей.

Рис. 8. Включение RC-IGBT

Графики процессов выключения, включения и обратного восстановления RC-IGBT показаны на рис. 7–9 соответственно. «Хвостовой» ток выключения и ток обратного восстановления RC-IGBT сильно изменяются от образца A до C из-за сокращения времени жизни носителей. Поскольку RC-IGBT имеет такую же структуру затвора, что и обычный IGBT, эпюры образца B очень похожи на кривые для обычных IGBT и FWD.

Рис. 9. Процесс обратного восстановления RC-IGBT

Соотношение характеристик IGBT+FWD шестого поколения и RC-IGBT показано на рис. 10, 11 соответственно. Соотношение характеристик элементов IGBT и FWD новых транзисторов RC-IGBT такое же, как у обычных IGBT и FWD. Никаких ухудшений, связанных с интеграцией IGBT и FWD, не выявлено. Это соотношение у RC-IGBT может быть изменено за счет сокращения жизни носителей в широких пределах, благодаря чему параметры RC-IGBT можно оптимизировать для режима жесткого переключения, несущей частоты и/или выходного тока. Кроме того, зависимость потерь переключения от сопротивления затвора (R_g) и dv/dt при обратном восстановлении RC-IGBT показана на рис. 12, 13 соответственно. Широко известно, что характеристики переключения в слаботочном режиме оказывают сильное влияние на электромагнитные помехи (EMI). Особенно большое влияние на EMI имеет параметр dv/dt при малом токе обратного восстановления [10].

Рис. 10. Сравнительные характеристики RC-IGBT и IGBT+FWD шестого поколения

Рис. 11. Сравнительные характеристики RC-IGBT и IGBT+FWD шестого поколения

Рис. 12. Зависимость потерь переключения от R_g

Рис. 13. Зависимость dv/dt от R_g

Следовательно, чтобы уменьшить уровень EMI-помех, необходимо снижать dv/dt при малом токе обратного восстановления. Для управления потерями переключения и величиной dv/dt можно изменять значение R_g. Как правило, чем больше R_g, тем меньше dv/dt. Однако в то же время увеличение резистора затвора приводит к росту динамических потерь. Коротко говоря, потери переключения и dv/dt имеют очень тесную связь и компромисс между dv/dt и E_loss является важнейшей характеристикой IGBT. Данная связь для RC-IGBT приведена на рис. 14. Графики показывают, что RC-IGBT имеет такое же соотношение между dv/dt и потерями переключения, как и обычные IGBT и FWD. То есть с учетом возможностей управления dv/dt, RC-IGBT ни в чем не уступает обычным IGBT и FWD.

Рис. 14. Зависимость потерь переключения от dv/dt

Потери инвертора и температура кристаллов новых RC-IGBT

Для подтверждения характеристик RC-IGBT мы рассчитали потери инвертора в режиме жесткого переключения и температуру чипов IGBT (T_j) RC-IGBT, предполагая, что величина dv/dt при обратном восстановлении не превышает 10 кВ/мкс. Считается, что это типовое условие для инверторного привода. При анализе использовались значения энергии потерь образца С, результаты расчетов показаны на рис. 15. Потери инвертора с применением RC-IGBT меньше, чем при использовании обычных IGBT и FWD.

Рис. 15. Потери инвертора и температура чипа (расчетные значения) RC-IGBT.
Условия:
F_o = 60 Гц, F_sw = 8 кГц, V_cc = 600 B, I_out = 50 A_rms, cos φ = 0,9, k модуляции = 1,0, dv/dt при обратном восстановлении ≤10 кВ/мкс, температура радиатора = +90 °C.
Термопаста:
теплопроводность = 2 Вт/м•К, толщина = 50 мкм, R_{th (jc)} — см. табл. 1

Таким образом показано, что RC-IGBT способны заменить обычные IGBT и FWD в жестком режиме коммутации инвертора. Очень важно, что T_j у RC-IGBT намного ниже, чем у обычных IGBT и FWD, что связано с гораздо меньшим значением R_th(jc).

Поскольку температура кристалла RC-IGBT намного ниже, это дает возможность уменьшить размеры RC-IGBT. На рис. 15 представлены результаты расчетов для другого RC-IGBT, активная область которого уменьшена на 21%. В результате потери инвертора и температура T_j уменьшенного RC-IGBT близки к показателям обычных IGBT и FWD. Размер чипа уменьшенного RC-IGBT составляет 74% от обычных IGBT и FWD, как видно в таблице 2, при этом плотность тока RC-IGBT на 35% выше, чем у обычных IGBT и FWD. Таким образом, можно сказать, что применение RC-IGBT позволяет сокращать размеры модуля.

Модуль RC-IGBT в новом компактном корпусе

В конце испытаний мы исследовали RC-IGBT в новом компактном корпусе. В таблице 3 показано, что только уменьшенная версия чипа RC-IGBT может быть установлена в новом компактном корпусе, учитывающем его размеры. Характеристики комбинации RC-IGBT и нового корпуса приведены в таблице 3.

Площадь основания нового корпуса на 51% ниже, чем у стандартного конструктива, а размер уменьшенного чипа RC-IGBT на 26% ниже, чем у обычных IGBT и FWD. Величина R_th(jc) уменьшенного RC-IGBT, установленного в новом корпусе, на 62% ниже, чем у обычного IGBT в стандартном конструктиве. Расчетные значения потерь инвертора и температуры T_j уменьшенного RC-IGBT в новом революционном конструктиве показаны на рис. 16. Потери инвертора на базе усовершенствованного модуля близки к показателям обычных IGBT и FWD в обычных корпусах с номинальным током/напряжением 100 A/1200 В. Температура чипов T_j в новом модуле оказалась самой низкой из всех комбинаций на рис. 16: более чем на 11 °C меньше, чем в обычном 100‑А модуле.

Рис. 16. Потери инвертора и температура чипа (расчетные значения) RC-IGBT в новом корпусе.
Условия:
F_o = 60 Гц, F_sw = 8 кГц, V_cc = 600 B, I_out = 50 A_rms, cos φ = 0,9, k модуляции = 1,0, dv/dt при обратном восстановлении ≤10 кВ/мкс, температура радиатора = +90 °C.
Термопаста:
теплопроводность = 2 Вт/м•К, толщина = 50 мкм, R_th(jc) — см. табл. 1

Другие расчеты потерь инвертора, предполагающие, что температура T_j нового модуля должна быть меньше +116,8 °C (T_j обычного модуля с током 100 A), показали, что усовершенствованный модуль может коммутировать ток I_o = 78,9 A_rms. Это на 58% больше, чем для обычного 100‑А модуля при половинном размере. Кроме того, стойкость к термоциклированию нового ключа в 100 раз выше, чем у обычных модулей при таком же градиенте ΔT_j. В заключение можно сказать, что комбинация RC-IGBT и нового революционного конструктива позволяет сократить размер модуля IGBT и, как следствие, всей инверторной системы.

Заключение

В данном отчете представлен вновь разработанный транзистор RC-IGBT 1200 В, созданный с применением новейшего технологического процесса формирования пластин. Этот RC-IGBT имеет такое же соотношение потерь проводимости и переключения, как у шестого поколения (Серия V) IGBT и FWD. Кроме того, данное соотношение можно оптимизировать для режима жесткой коммутации путем сокращения продолжительности жизни носителей. Расчеты потерь инвертора в режиме жесткой коммутации и температуры чипов (T_j) показывают, что оптимизированный RC-IGBT может обеспечить на 35% большую плотность тока на единицу площади чипа. В конце отчета описаны результаты установки RC-IGBT в инновационном компактном корпусе. Полученный модуль может коммутировать на 58% больший ток, чем обычный 100‑А модуль, при меньших на 51% габаритах.

Благодарность

Авторы выражают благодарность господам Таменори, Йошимура, Кадживара, а также госпоже Кодама (Mr. Tamenori, Mr. Yoshimura, Mr. Kajiwara, Ms. Kodama) за их полезные советы и техническую поддержку при производстве новых приборов.