Advanced Trench HiGT IGBT с разделенным p-слоем для улучшения управляемости и устойчивости к нежелательным, но возможным воздействиям

Введение

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (Insulated-Gate Bipolar Transistor, IGBT) широко используются в различных системах преобразования электроэнергии (инверторах), а также в блоках питания и системах электроприводов. В соответствии с последними тенденциями в области развития силовой электроники транзисторы этого типа были значительно улучшены. Современные IGBT выпускаются как с планарными МОП-затворами (МОП-затвор — изолированный затвор типа металл-окисел-полупроводник), так и с МОП-затворами в виде паза (trench — «паз»). Последние используются в миниатюрных устройствах и предназначены, в основном, для работы при средних уровнях рабочего напряжения и высокой плотности тока.

На рис. 1 показаны различные поколения Trench IGBT от Hitachi. Компания разработала IGBT-приборы типа Trench HiGT, обладающие низкими потерями при сохранении высокой устойчивости к нежелательным, но возможным при работе IGBT воздействиям [1]. Этот тип IGBT имеет МОП-затвор в виде паза с различными интервалами и сформированными плавающими р-слоями без подключения к эмиттерному электроду между пазами МОП-затворов. Уменьшение числа МОП-каналов в этой структуре снижает плотность тока насыщения J_c(sat), что обеспечивает устойчивость к возможному короткому замыканию. Кроме того, напряжение насыщения такого IGBT в открытом состоянии оказывается ниже, что, соответственно, уменьшает рассеивание им мощности и вызванные этим потери. Это происходит из-за того, что большинство активных носителей остаются преимущественно в области диффузного слоя n.

Рис. 1. Различные поколения транзисторов Trench IGBT компании Hitachi и Advanced Trench HiGT IGBT

Также Hitachi выпустила структуры Trench HiGT с технологией LiPT (Low Injection Punch Through — слабо инжектированный Punch-Through; Punch-Through — смыкание р-n-перехода, технология PT), обладающие еще меньшими потерями [2]. Инжекция небольшого количества дырочных носителей из р-слоя на стороне коллектора уменьшает токовый хвост во время выключения. Это позволяет уменьшить потери без обычной в этих случаях зоны управляемого времени жизни носителей (lifetime control).

В настоящее время облегчение управляемости по скорости нарастания dV/dt требуется для того, чтобы уменьшить потери, генерацию помех и обеспечить требования по электромагнитной совместимости (ЭМС), исключить короткие выбросы напряжения и прочие факторы, которые смогут привести к повреждениям основной схемы. Так, например, высокая скорость нарастания dV/dt приводит к деградации изоляции обмоток мотора. Поскольку транзисторы могут быть использованы в соответствии с верхним пределом dV/dt, они могут быть весьма полезны при разработке устройств с IGBT, что позволяет легко управлять dV/dt в широком диапазоне с более низкими потерями. Некоторые исследования и контрмеры по этому вопросу представлены в [3, 4]. В настоящее время компания производит самые современные транзисторы типа Trench HiGT, которые имеют новую структуру чипа, позволяющую реализовать высокую управляемость по dV/dt, сохраняя при этом низкие потери.

Структура транзистора

Структура чипа типа Trench HiGT показана на рис. 1 и 2. Плавающий р-слой обычного Trench HiGT IGBT несколько отделен от паза затвора, что позволяет более легко контролировать скорость включения dV/dt. Он также формируется глубже, что позволяет с малыми потерями сохранить устойчивость транзистора к возможным не желательным воздействиям. В режиме переключения IGBT возникают флуктуации напряжения в плавающем p-слое, которые вызваны изменением напряжения коллектора. Все это непосредственно приводит к неуправляемости затвора, особенно в случае обычного Trench HiGT IGBT, в котором плавающий р-слой контактирует с пазом затвора.

Рис. 2. Advanced Trench HiGT-структура

С другой стороны, в случае Advanced Trench HiGT пазы затвора отделены от плавающих р-слоев таким образом, что эти флуктуации напряжения плавающего p-слоя уже не оказывают влияния на управляемость по затвору. Кроме того, технология Advanced Trench HiGT обеспечивает низкие напряжения в открытом состоянии, как и у обычных Trench HiGT IGBT из-за их композиции плавающих р-слоев. Инженеры Hitachi также смогли найти оптимальные глубину плавающих р-слоев и расстояние между пазами затвора и отделенным от затвора плавающим р-слоем для поддержания высокого напряжения блокировки и предохранения от повреждений паза затвора.

Управляемость по скорости нарастания dV/dt

Приведем данные измерений, связанные с управляемостью Advanced Trench HiGT IGBT по скорости нарастания dV/dt в режиме включения, при обратном восстановлении и его выключении.

Режим включения и обратное восстановление

Рис. 3 демонстрирует компромисс между максимальной скоростью обратного восстановления dVak/dt (анод-катод защитного диода) при +25 °C, Ic = 0 ~ 150 А/чип и E_on при +125 °C, Ic = 150 А/чип (чип рассчитан на 150 А). Здесь экспериментально подтверждается то, что технология Advanced Trench HiGT предлагает лучший компромисс, чем обычная Trench HiGT, как это и демонстрируют результаты моделирования. Приборы технологии Advanced Trench HiGT показывают снижение скорости включения dV/dt на 25% по сравнению с обычными IGBT, сохраняя при этом потери на том же самом низком уровне. Кроме того, скорость переключения Advanced Trench HiGT может быть настроена и снижена до 13 кВ/мкс (для обычных приборов технологии Trench HiGT характерно значение 19 кВ/мкс).

Рис. 3. Компромисс между максимальной скоростью обратного восстановления dVak/dt при +25 °C, Ic = 0 ~ 150 А/чип и Eon при +125 °C, Ic = 150 А/чип

На рис. 4 показана временная диаграмма переключения чипа обычного Trench HiGT IGBT и Advanced Trench HiGT. Временная диаграмма, представляющая время обратного восстановления диода при пониженном токе для обычного Trench HiGT IGBT, показана с максимальной скоростью dV/dt, которая равна 20 кВ/мкс, с наличием явно выраженной паразитной высокочастотной затухающей генерации на фронтах импульсов напряжения, называемой «звоном» напряжения, но для IGBT, выполненных по технологии Advanced Trench HiGT, этот максимум скорости нарастания dV/dt составляет 14 кВ/мкс и, как мы видим, уже без наличия паразитного «звона».

Рис. 4. Временная диаграмма переключения чипа обычного Trench HiGT IGBT и Advanced Trench HiGT

На рис. 5 приведена временная диаграмма включения Advanced Trench HiGT с вариациями сопротивления затвора при Ic = 150 А/чип, +125 °C. Как видно из приведенных результатов измерения, Advanced Trench HiGT, используя соответствующее сопротивление затвора, является управляемым по скорости нарастания dV/dt в пределах между 0,3 и 2,5 кВ/мкс.

Рис. 5. Временная диаграмма включения Advanced Trench HiGT с вариациями сопротивления затвора при условиях +125 °C, Ic = 150 А/чип

Приведенные результаты экспериментально подтвердили, что Advanced Trench HiGT IGBT, используя установки сопротивления затвора, являются легко управляемыми в широком диапазоне скоростей dV/dt в режиме включения и обратного восстановления.

Рис. 6. Диаграммы выключения Advanced Trench HiGT-модуля 1700 В/3600 А при условии Vcc = 1250 В, Ic = 3600 А, Ls = 55 нГ, Vge = +15/-15 В, Rg(off) = 1,5 Ом:
а) обычный Trench HiGT-модуль, выполненный на чипе толщиной 20 мкм, +25 °C;
б) Advanced Trench HiGT-модуль, +25 °C;
в) Advanced Trench HiGT-модуль, -40 °C

Управление скоростью выключения dV/dt

На рис. 6 показаны диаграммы выключения Advanced Trench HiGT-модуля 1700 В/3600 А при условии Vcc = 1250 В, Ic = 3600 А, +25 °C. По сравнению с результатами моделирования, диффузный n-слой на 20 мкм толще. Сигнал (рис. 6б) такого измененного модуля уже не имеет «звона» напряжения. На рис. 6в показан сигнал выключения Advanced Trench HiGT, измеренный при температуре -40 °C. Эти результаты экспериментально подтвердили, что такой модуль имеет скорость спада dV/dt, равную 3,8 кВ/мкс, и не имеет «звона» напряжения при -40 °C.

На рис. 7 показана зависимость скорости выключения dV/dt от тока коллектора Ic для Advanced Trench HiGT-модуля 1700 В/3600 А при условии Vcc = 1250 В, +25 °C. По всему диапазону измерения тока коллектора Advanced Trench HiGT IGBT с настроенной толщиной (как указано выше) имеет свойственный ему уровень скорости напряжения dV/dt при запирании ниже, чем обычный по технологии Trench HiGT с предварительной настройкой толщины.

Рис. 7. Зависимость скорости выключения dV/dt от тока коллектора Ic для Advanced Trench HiGT-модуля 1700 В/3600 А при условиях Vcc = 1250 В, Ic = 3600 А, Ls = 55 нГ, Vge = +15/-15 В, Rg(off) = 1,5 Ом, +25 °C

Устойчивость к возможным нежелательным воздействиям

Для новой структуры необходимо рассмотреть вопрос возможного блокирующего повреждения, которое может возникнуть вокруг пазового затвора. На рис. 8 показаны результаты моделирования распределения потенциала вокруг паза затвора в ответ на блокирование постоянного тока. Из результатов моделирования устройства видно, что дно паза (точка А на рис. 2) является точкой пробоя. Поэтому мы пошли двумя путями. Во-первых, более глубокий плавающий р-слой является достаточно эффективным в снижении напряженности электрического поля на основании паза, а во-вторых, мы смогли реализовать это в конструкции чипа с разделением между пазом затвора и отделенным от затвора плавающим р-слоем.

Рис. 8. Распределение потенциала в области пазового затвора при отсутствии постоянной составляющей (моделирование DC blocking) при условии Vce = 1700 В, Vge = 0 В, +25 °C:
a) обычный Trench HiGT;
б) Advanced Trench HiGT

На рис. 9 показан результат моделирования взаимосвязи между статическим напряжением лавинного пробоя и размером элементарной ячейки IGBT. Соотношение между размером элементарной ячейки IGBT и расстоянием между пазом затвора и плавающим р-слоем носит линейный характер. Из этого результата моделирования следует, что Advanced Trench HiGT IGBT могут быть разработаны с более высоким напряжением лавинного пробоя, чем обычные Trench HiGT. Экспериментально подтверждено, что Advanced Trench HiGT-модуль свободен от таких блокировок по постоянному току (DC blocking), как блокирование «коллектор-эмиттер» и «затвор-эмиттер».

Рис. 9. Статическое напряжение лавинного пробоя в зависимости от размера элементарной ячейки IGBT (моделирование)

На рис. 10a показана временная диаграмма выключения в режиме большого тока модулем Advanced Trench HiGT на 1700 В/3600 А, на рис. 10б — временная диаграмма обратного восстановления в режиме выключения большого тока модулем Advanced Trench HiGT на 1700 В/3600 А. Экспериментально подтверждено, что область безопасной работы RBSOA (Reverse Bias Safe Operating Area — область безопасной работы в выключенном состоянии с обратным смещением) и область безопасной работы восстановления (обратного диода) SOA Advanced Trench HiGT модуля являются достаточно большими.

Рис. 10. Временная диаграмма выключения большого тока модулем Advanced Trench HiGT на 1700 В/3600 А
при Vcc = 1250 В, Ic = 7200 А, Ls = 55 нГ, Vge = +15/-15 В, Rg(on) = 3,3 Ом, Rg(off) = 1,5 Ом, +150 °C:
a) выключение;
б) обратное восстановление

На рис. 11 приведена временная диаграмма для режима короткого замыкания третьего типа для Advanced Trench HiGT-модуля 1700 В/3600 А. В течение короткого замыкания третьего типа, в то время как в двухуровневых инверторах с индуктивной нагрузкой основной ток течет обратно через защитный диод, IGBT пробивается и имеет место короткое замыкание цепи между транзисторами верхнего и нижнего плеча полумоста. Экспериментально подтверждено, что Advanced Trench HiGT-модуль безопасно выключается после 10-мкс короткого замыкания третьего типа.

Рис. 11. Временная диаграмма режима короткого замыкания третьего типа для Advanced Trench HiGT-модуля 1700 В/3600 А при Vcc = 1150 В, Ic = 5400 А, Ls = 55 нГ, Vge = +15/-15 В, Rg(on/off) = 3,3/1,5 Ом, +150 °C

Потери

На рис. 12 продемонстрирован компромисс отношения между зарядом E_off и напряжением насыщения V_ce(sat). Advanced Trench HiGT IGBT имеет такой же низкий уровень потерь, как и обычный Trench HiGT IGBT. Это происходит потому, что Advanced Trench HiGT IGBT имеет ту же структуру плавающего р-слоя, что и обычный прибор Trench HiGT, а плотность активных носителей n-диффузного слоя у него может быть выше, чем у обычных IGBT.

Рис. 12. Компромисс отношения между Eoff и Vce(sat)

Заключение

Предложена структура чипа для технологии Advanced Trench HiGT с глубоким отдельным плавающим р-слоем и показаны характеристики нового 1700 В/3600 А Advanced Trench HiGT IGBT-модуля. Экспериментально подтверждено, что новый модуль имеет снижение нарастания скорости включения dV/dt на 25% при одновременном сохранении низкого уровня потерь, как и в обычном модуле. Кроме того, он характеризуется отсутствием «звона» напряжения на коллекторе на всем промежутке рабочих токов 0-3600 А в диапазоне температур -40…+150 °C. Подтверждено, что область безопасной работы SOA нового модуля является достаточно широкой, а его устойчивость к коротким замыканиям третьего типа достаточно высока. Таким образом, этот новый модуль, ввиду своих перечисленных свойств и особенностей, может легко управляться и использоваться в самых выгодных, с точки зрения потерь, режимах.