工业牵引用大功率IGBT模块设计技术

 1　引言

　　随着软穿通igbt技术的引入，产生了igbt设计上和特性上的新标准，特别适用于中等功率的市场。将传统的npt（非穿通型）igbt的高强度和低损耗两个特点相结合，已经使spt-igbt成为1200v-1700v电压范围的标准产品。为了充分利用spt-igbt这一技术特性，1200v-1700vlopak模块的范围扩展至额定电流75a-300a。

　　现在，因为额定电流为2400a的新一代大功率工业标准模块的封装尺寸增加了140×130（e1），140×190（e2），1700v-sptigbt的封装类型得到了扩展，图1为新型号1700v-spt igbt的e2标准封装。基于高可靠性应用的经验，设计出了适用于工业牵引应用的新的封装类型。

与已经应用的1700v标准模块相比，主要损耗减少了大约20%。除了极低的静态和动态损耗外，1700v-sptigbt表现为明显的正温度系数。这一特点适用于并联工作状态，尤其适合如e1/e2类型这样的大电流模块。尽管sptigbt的损耗较低，但它的短路电流和开关强度均较大，而且，独特的软穿通结构的电磁干扰很小。spt技术发展的同时，新的软快速恢复二极管也被开发用于辅助spt的特性。新的二极管在任意条件工作时，表现出软恢复和极耐用的的特性。因为并联使用，二极管也要求正的温度系数。

2　1700v的芯片组技术

　　如图2所示，文献［1，2］中证明，标准的平面工艺与软穿通概念的结合可得到性能更好的igbt，它比npt结构的损耗更低，约小20%。spt技术的通态损耗与使用沟道工艺的相同额定电流元件的通态损耗相似。因为工艺技术很成熟，为使单位面积上的成本更低，选用了平面设计。与平面单元的概念相结合，可以使得热阻更小，耐用性更强。

spt的含义是在igbt的阳极一边有一个低掺杂的缓冲层。在额定直流电压下，空间电荷区并没有延伸到这一缓冲区。然而，在更高的电压下，spt缓冲区使电流在关断时更平滑。因此，尽管基区减薄了30%，spt-igbt的动态电特性仍与基区更厚的npt-igbt相仿。这种方法当芯片在大电流模块如e1和e2类型时更重要，因为这时电压过冲的峰值在igbt关断时可以达到其临界值，将引起大的震荡，提高电磁干扰等级。另外，相对于改变门极电阻，优化了spt-igbt的输入电容，可更好的控制开通di/dt。igbt可以得到一个更快的电压延迟，进一步减少了igbt的开通损耗。

　　另外，1700v快速和软恢复二极管的发展也增加了1700vspt-igbt的优势。二极管采用了最新的设计技术和控制寿命的方法，其动态、静态的损耗更小，且具有软恢复特性和更小的电磁干扰。而且，igbt和二极管在开通时均为正温度系数，保证在大电流模块工作时，并联的硅芯片的电流实现均衡。

　　随着1700vspt-igbt的引入，使用一简易的测试装置，对1700v的芯片组进行了可靠性测试，测试与封装形式无关，因此可代表许多类型的模块。通过测试装置，从芯片的观点看，成功地完成了三种相关的可靠性测试（htrb、htgb和thb）高温反向偏压和温度湿度测试。并且，为了减少igbt和二极管由于宇宙射线引起的失效率，优化了元件的设计。测试表明，在25℃，900v直流回路电压条件下，每个芯片可接受的失效率为1%。

3　1700v-spt igbte1 e2模块产品

　　1700ve1/e2模块产品类型完全利用了1700vspt-igbt和二极管芯片组的特性。在不同的电流值下，可以提供一定范围的标准配置。1700vspt-igbte1/e2模块使得单个开关igbt拓扑结构的额定电流从1200a提升到2400a。

　　最新开发的模块使用最新的alsic作基板和aln作基片，提高了功率循环负荷能力，与spt igbt芯片相结合，可降低总热阻。

　　为了提高电特性，降低电磁干扰，我们进行了精心设计，优化了硅芯片和衬底的内部连线和布局，使得发生在芯片间的振荡最小。这种振荡也会因模块的内部电流不匹配而产生。

4　1700v/2400ae2模块的电特性

　　通过使用igbt和二极管芯片组，我们对1700v/2400a的spt-igbte2模块进行了测试，证实其具有良好的电特性。模块分别在开通、关断和短路条件下进行了静态和动态和安全工作区（soa）测试。

　　（1） 静态特性

　　图3显示了1700v/2400a e2模块在不同的门极电压下的输出特性。

因为使用了薄基区结构，而且还优化了芯片单元的设计，1700vspt-igbt与传统的npt结构相比，通态损耗减少了20%。图4显示了1700v/2400a spt-igbte2模块，在芯片时的通态特性。图4（a）中，1700v/2400ae2模块在额定电流下，25℃时的通态电压为2.3v，125℃时通态电压为2.6v。

曲线也表明，在电流较小时，温度系数仍为正值，可防止元件并联工作时，因为热不稳定而引起的电流不匹配。二极管在25℃时，通态电压较低，为1.9v，125℃时为1.95v，其温度系数也是正的，与模块内的igbt正好相匹配。