具有高温工作能力的1700V SPT+ IGBT和二极管芯片组

图6V_CE=1700V、T_j=125℃时，二极管漏电流数据

图73600A/1700V标准HiPak IGBT在T_j=150℃时关断曲线。E_off=1.75J

图83600A/1700V标准HiPak IGBT 在T_j=150℃时开通曲线。E_on=1.25J

图93600A/1700V HiPak 标准二极管在T_j=150℃下恢复波形。E_rec=1.21J.

在标称条件下，二极管的反向恢复波形如图9所示。二极管关断时流过的尾电流足够短且平滑，从而避免了任何经过二极管和IGBT的电压振荡。这允许二极管以di/dt=11400A/us变化率转换，大大减小了IGBT的开通损耗。在标称条件下，二极管的恢复损耗为1.21J。

3.3最大额定值

图10 显示了IGBT芯片的非钳位感性关断能力。在本测试中，一个3倍于标称值的450A的电流，在一个大到1.6μH寄生电感、结温T_j=150℃条件下，在直流电压为1300V情况下关断。在关断过程中，可以观测到一个2200V的自钳位过冲电压。该芯片经受住了动态雪崩条件，并以峰值的730kW/cm²功率成功承受自钳位工作模式。

图11 显示了单二极管芯片在结温为T_j=150℃时的反向恢复安全工作区。二极管表现出以峰功率峰水平480kW/cm²通过Soak测试的卓越的坚固性。

图10在T_j=150℃时测得的IGBT芯片非钳位关断能力

图11在T_j=150℃条件下测得的二极管芯片反向恢复SOA

新型1700V SPT+IGBT的卓越短路能力如图12和图13所示。从图12 可以看到结温T_j=150℃、直流电压为1300V时的短路测试试验。在长达26μs的脉冲时间内，短路电流380A，总耗散能量为12.2J测试后，没有观测到热奔现象。为获得一个高短路SOA能力——甚至在整个-40℃～150℃的温度变化过程中，门极电压超过了15V的标准门极驱动电压，——SPT+ IGBT采用了SPT缓冲层和阳极设计。图13显示了室温条件下，在门极电压V_G=19V时，所测得的典型短路SOA波形。

图.12.在T_j=150℃、V_G=15V时所测得的IGBT芯片短路波形

图13 室温条件下，V_G=19V所测得的IGBT芯片典型SC SOA波形

4 175℃下1700V芯片组工作能力

目前1700V芯片组发展的方向，是使工作温度扩展到T_j=175℃。在终端偏置环终端设计中，内部电介质层的稳定可看作是减少环的互连导通的决定性因素。通过优化钝化过程中的热处理过程，同150℃那代产品相比，高温漏电流可以进一步减小3倍，如图14（a）所示。在整个温度范围，IGBT都保有可控的开关能力和短拖尾电流。正如图15所示，在T_j=175℃时，IGBT芯片的坚固性表现已经被证实。图中寄生电感为1.6μH、直流电压为1300V的情形下，一个大于3倍标称值的460A电流被关断。

通过引入新的阳极概念，结合已建好的、用于SPT+一代的局部寿命控制，已实现二极管芯片的进一步改善。尽管通过采用氢代替氦离子进行局部寿命控制，证明在150℃的SPT+二极管工艺平台是可行的，但是这样获得的漏电流减小还不足以使结工作温度拓宽到175℃。为了突破这种限制，一个新场屏蔽阳极（FSA）概念被提出。在局部轴向寿命控制传统阳极设计中，反向阻断态的空间电荷区将延伸到辐射缺陷区，导致产生较大的漏电流。与此相反，在FSA设计中，采用了次深度、低掺杂缓冲阳极，从而阻止场扩展到辐射缺陷区，正如图16所描述的那样。

图14同150℃ SPT+产品相比，新的IGBT（a）和二极管（b）在漏电流的改善

图15T_j=175℃时1700V SPT+ IGBT RBSOA

正如图14（b）所示，采用新的FSA概念，传统二极管的高反向恢复SOA可以被超越，并且同SPT+质子辐射工艺平台相比漏电流减小3倍。通过在有源区和终端保护环之间引入一个特殊的结延伸区域，可以获得较好的反向恢复坚固性。图17显示了二极管卓越的坚固性——T_j=175℃条件下，通过了峰功率为550kW/cm²的SOA测试。

（b）

图16反向阻断过程中普通二极管（a）和FSA二极管（b）的掺杂浓度及阻断态相关电场分布草图

图17T_j=175℃时1700V FSA二极管反向恢复SOA

5 结论和展望

本文介绍了ABB公司高温工作的新型1700V SPT+ IGBT和二极管芯片组。为工作在较大寄生电感和多重并联条件下工作，对芯片组进行了优化，并且有卓越的静态和开关表现。当新芯片组用在T_j=150℃条件下工作的1700V 3600A HiPak2封装中时，也显示出低的总功耗和软的电流瞬态。

为使结工作温度能够进一步拓展到T_j=175℃，还讨论到了IGBT钝化过程中的进一步优化和新型二极管阳极概念。

参考文献

[1] M. Rahimo et al., “SPT+, the Next Generation of Low-Loss HV-IGBTs” Proc. PCIM’05, Nürnberg, Germany, 2005.

[2] A. Kopta et al., “6500V SPT+ HiPak Mudules Rated at 750A” Proc. PCIM’08, Nürnberg, Germany,2008.

[3] V.Macary, G.Charitat, M.Bafleur, J.Buxo, P.Rossel “