RC-IGBT седьмого поколения

Чип-технология RC-IGBT седьмого поколения

RC-IGBT представляет собой модуль, в котором области IGBT и оппозитного диода расположены на одном чипе в виде полос (рис. 1).

Рис. 1. Основной вид чипа RC-IGBT седьмого поколения

RC-IGBT не имеет отдельного чипа оппозитного диода, что приводит к сокращению общей рабочей площади. Эквивалентная схема представлена на рис. 2.

Рис. 2. Эквивалентная схема RC-IGBT

Структура RC-IGBT в поперечном сечении представлена на рис. 3.

Рис. 3. Поперечное сечение RC-IGBT

RC-IGBT имеет траншейную структуру и Field-Stop-слой на обратной стороне для IGBT как шестого, так и седьмого поколения. Чип-технология 7G позволяет снизить толщину подложки и по сравнению с технологией модулей 6G достигает меньшего значения падения напряжения. Кроме того, IGBT и RC-IGBT седьмого поколения имеют более тонкую структуру затвора, что приводит к усилению эффектов, улучшающих инжекцию носителей заряда. Соответственно, улучшена взаимосвязь между потерями проводимости и потерями при отключении. Процесс изготовления RC-IGBT почти такой же, как для IGBT 7G. Дополнительными процессами производства RC-IGBT являются процесс ионной имплантации для формирования p-n-перехода на обратной стороне и процесс управления временем жизни.

Характеристики чипа RC-IGBT седьмого поколения

Условия измерений: T_j = +150 °C; V_СС = 500 В; I_С = 100 A; V_GE = ±15 В; время обратного восстановления dv/dt = 10 кВ/мкс.

На рис. 4 представлены характеристики потерь при отключении для модулей 6G и 7G, а также для RC-IGBT.

Рис. 4. Характеристики IGBT

Активная область RC-IGBT подразумевает только активную область самого транзистора. Характеристики оппозитных диодов представлены на рис. 5, где активная область RC-IGBT подразумевает только активную область FWD-диода. Как видно на рис. 5, напряжение насыщения V_CE(sat) для RC-модулей седьмого поколения меньше на 0,5 В, а падение напряжения V_F опозитного диода на 0,3 В меньше по сравнению с IGBT 6G, что указывает на снижение потерь. Это достигается за счет оптимизации структуры затвора и уменьшения толщины подложки по сравнению с модулями шестого поколения. Общие потери RC-IGBT в целом сравнимы с потерями IGBT седьмого поколения.

Рис. 5. Характеристики оппозитного диода (FWD)

Выходные характеристики RC-IGBT, представленные на рис. 6, имеют функцию обратной проводимости, исключая возможность возникновения обратного защелкивания.

Рис. 6. Выходные характеристики RC-IGBT

На рис. 7–9 представлены формы сигналов при включении, отключении и обратном восстановлении RC-IGBT седьмого поколения, имеющего схожую структуру с IGBT того же поколения. Как показано на рис. 7, пиковое значение напряжения при выключении RC практически такое же, как для IGBT 6G и 7G. Хвостовой ток имеет более низкое значение, потери при выключении на 23% ниже по сравнению с предыдущим поколением.

Рис. 7. Отключение RC-IGBT

Как видно на рис. 8 и 9, RC-модули имеют более мягкую характеристику обратного восстановления и более низкое значение тока восстановления по сравнению с тем же шестым поколением модулей с оппозитным диодом. Кроме того, потери при обратном восстановлении снижены на 20%. Как известно, меньшая толщина пластин кристалла и меньший дрейфовый слой вызывают осцилляции и снижают пробивное напряжение во время отключения. С помощью оптимизации граней и сопротивления пластин, а также оптимизации дрейфового слоя достигнуто подавление осцилляций и поддержание уровня пробивного напряжения.

Рис. 8. Включение RC-IGBT

Рис. 9. Обратное восстановление

Эффективность RC-IGBT-модулей

RC-IGBT седьмого поколения показывает высокую эффективность чипа при достижении меньших размеров. В качестве примера в таблице 1 представлены характеристики IGBT-модулей 12-го класса с номинальным током 100 А.

На рис. 10 показаны результаты расчетов, на основании которых общий размер чипа RC-IGBT поколения 7G снижен на 40 и 23% по сравнению с IGBT шестого и седьмого поколений с оппозитными диодами соответственно. Новшество технологии заключается в усовершенствовании не только чипа модуля, но и изготовления корпуса. Тепловое сопротивление кристалл-корпус R_th(jc) значительно снижено за счет использования более тонкой AlN-подложки. Кроме того, переходное сопротивление R_th(jc) IGBT- и FWD-диода на 25 и 47% ниже по сравнению со значениями IGBT седьмого поколения с оппозитным диодом. Тем не менее общая площадь RC меньше, чем у IGBT (+FWD) 7G, на 23%. Как показано на рис. 1, области IGBT и диода расположены полосами и расстояние между соседними областями меньше, чем 0,6 мм. Таким образом, температурные области IGBT и диода уравниваются тепловой диффузией. Как следствие, потери рассеиваются по всей площади чипа. Более того, длительная температура перехода чипа T_j RC-модулей достигает +175 °С благодаря применению нового припоя, а также термостойкого силиконового геля.

Рис. 10. Потери и Tj RC-IGBT (100 A).
Условия расчета:
f₀ = 50 Гц;
f_C = 8 кГц;
V_CC = 600 В;
I_out = 50 A;
cos φ = 0,9;
режим модуляции = 1;
скорость обратного восстановления dv/dt = 10 кВ/мкс;
T_amb (температура окружающей среды) = +50 °С;
теплопроводность термопасты 2 Вт/м•К;
толщина = 50 мкм

Потери инвертора и температура перехода чипа T_j представлены на рис. 10. Потери RC и IGBT седьмого поколения на 12% и температура перехода T_j на 15% снижены по сравнению с IGBT шестого поколения. Эффективность RC и IGBT 7G обусловлена применением современной технологии производства чипа и технологии корпусирования.

Увеличенная номинальная мощность RC-IGBT седьмого поколения

Как уже отмечалось, RC-IGBT достигает 40% уменьшения размера чипа по сравнению с шестым поколением модулей, что позволяет значительно расширить номинальное значение тока модуля. В таблице 2 представлена линейка Dual XT и PrimePack2 модулей 12-го класса. Для Dual XT линейка расширена до 800 А, для RC-IGBT — до 1000 А. 

В таблице 3 даны характеристики RC Dual XT (1000 А) модуля седьмого поколения. Величина и плотность тока модуля RC Dual XT на 67% выше по сравнению с Dual XT предыдущего поколения, в то же время сопротивление перехода R_th(jc) на 45% меньше. В сравнении с PrimePack2 6G номинальное значение тока RC Dual XT (7G) на 11% выше при том, что общая площадь основания и сопротивление перехода R_th(jc) соответственно на 40 и 27% меньше. Кроме того, плотность тока RC Dual XT (7G) на 83% выше в сравнении с тем же PrimePack2.

Результаты расчета максимальной температуры перехода кристалла IGBT в режиме непрерывной работы представлены на рис. 11. Модуль Dual XT (7G) достигает уровня номинального тока в 800 А, а Dual XT-модуль предыдущего поколения — 600 А. В то же время RC Dual XT (7G) достигает значения в 1000 А.

Рис. 11. T_jmax IGBT-модуля RC Dual XT (7G).
Условия расчета:
V_CC = 600 В;
f₀ = 50 Гц,
f_C = 8 кГц;
режим модуляции = 1;
T_amb (температура окружающей среды) = +50 °С;
теплопроводность термопасты 2 Вт/м•К;
толщина = 50 мкм

Блокирующее напряжение и низкая частота управления

Модули RC-IGBT седьмого поколения достигли значительного уменьшения размера чипа, увеличения номинального значения тока на выходе и плотности мощности более чем на 67% по сравнению с модулями шестого поколения. Дополнительно проведены исследования влияния блокирующего напряжения и низкочастотного управления на способность термоциклирования. В режиме блокирующего напряжения и при низкочастотном управлении большие значения T_j, приложены к чипам модулей, по сравнению с нормальным длительным управлением (f₀ = 50 Гц), и существует возможность возникновения термического напряжения модуля. Таким образом, возможность термоциклирования при блокирующем напряжении и низкочастотном управлении в основном определяет надежность и срок жизни IGBT-модулей, в частности для сервопривода NC, в которых блокировка постоянного тока и низко­частотное управление происходят довольно часто.

Рис. 12. Потери и ∆T_jc RC-модуля 100 А (7G).
Условия расчета:
V_CC = 600 В;
f_C = 8 кГц;
I_o = 70 A;
рабочий цикл = 0,5;
T_amb (температура окружающей среды)= +50 °С;
тепловое сопротивление R_th(радиатор) = 0,085 К/Вт;
теплопроводность термопасты 2 Вт/м•К;
толщина = 50 мкм

На рис. 12 ΔT_jc представляет собой изменение T_j до и после DC-блокировки, которое определяет способность термоциклирования. Величина ΔT_jc на 50% ниже по сравнению с поколением 6G, в то время как время жизни RC-модуля в 350 раз выше. Надежность модулей RC-IGBT значительно улучшена благодаря технологиям корпусирования и производства чипов. Сравнивая рис. 10 и 12, можно увидеть, что ΔT_jc RC-IGBT и блокировка постоянного тока на 36 и 50 % ниже по сравнению с 6G. Схема инвертора переменного тока (АС 50 Гц) и блокировка постоянного тока представлены на рис. 13, где IGBT и FWD одновременно активны в каждом плече, и в таком случае общие потери RC-IGBT рассчитываются с учетом потерь оппозитного диода (FWD). Следовательно, дополнительные потери FWD увеличивают ΔT_jc RC-IGBT. С другой стороны, в блокирующем режиме активен только IGBT в верхнем плече фазы U, соответственно, в модуле присутствуют только потери самого IGBT.

Рис. 13. Схема инвертора (AC, 50 Гц) и блокировка DC

Потери инвертора и ΔT_jc при низкочастотном управлении (АС, 1 Гц) показаны на рис. 14, где ΔT_jc представляет собой разность между T_jmax и T_jmin при низкочастотном управлении. Уровень ΔT_jc для RC-IGBT на 51% ниже по сравнению с предыдущим поколением модулей.

Рис. 14. Потери инвертора и ∆T_jc RC-модуля 100 А (7G).
Условия расчета:
V_CC = 600 В;
f₀ =1 Гц;
f_C = 8 кГц;
I_out = 50 A;
cos φ = 0,9;
режим модуляции = 0,02;
T_amb (температура окружающей среды) = +50°С;
R_th(радиатор) = 0,085 К/Вт;
теплопроводность термопасты 2 Вт/м•К;
толщина = 50 мкм

На рис. 15 видно, почему RC-IGBT имеет столь низкое значение ΔT_jc, которое определяет флуктуацию температуры модуля при частоте 1 Гц. T_jmax RC-модуля на 23,6 °С ниже показателей модулей шестого поколения из-за меньших потерь и более низкого переходного сопротивления R_th(jc). Также можно отметить, что T_jmin на 10,5 °С выше из-за увеличения потерь оппозитного диода. В отношении способности термоциклирования и продолжительности жизни значения RC-модулей превосходят 6G примерно в 220 раз. Подобно блокировке постоянного тока, в режиме переменного тока с частотой 50 Гц также достигнуты значительные улучшения.

Рис. 15. Колебание температуры (АС, 1 Гц)

Заключение

RC-IGBT поколения 7G производятся в комбинации технологии чипа седьмого поколения и технологии корпусирования RC-IGBT. RC-модули достигают снижения размеров чипа на 40% по сравнению с модулями 6G (IGBT+FWD), потери инвертора сокращаются на 12%, а переходного сопротивления R_th(jc)) — на 45%. Кроме того, номинальное значение тока на выходе увеличено до 1000 А. Плотность мощности возросла на 67%. Блокировка постоянного тока и низкая частота (f₀=1 Гц) RC-модуля на 50% ниже, при этом способность термоциклирования на порядок выше по сравнению с 6G. В основном RC-модуль находит применение в области сервопривода NC. Технологии седьмого поколения обеспечивают дальнейшую миниатюризацию и снижение конечной стоимости систем преобразования энергии.