3.第四代IGBT的基本特点
3.1.沟槽(Trench)结构
同各种电力半导体器件一样,IGBT器件向大功率化发展的内部动力也是减小通态压降和增加开关速度(降低关断时间)之间矛盾的折衷。在常规的一至二代IGBT中,其MOS沟道是平行于硅片表面的。它的导通电流由两部分组成;MOS分量IMOS和晶闸管分量ISCR,为防止锁定(Latch-up)效应,其MOS分量必须占主导。其流通途径中不可避免地存在一个位于栅极下方、夹在P型基区中间的结型场效应晶体管(JFET)的电阻RJFET,它成为提高频率特性而缩小通态压降的障碍。第四代IGBT采用特殊的工艺制成沟槽结构,挖掉了这个RJFET,把MOS沟道移到垂直于硅片表面的位置,元胞尺寸可减少到20%。于是,硅片利用率提高了,通态压降减小了,也为其频率参数的改善创造了新的可能性。
3.2.IGBT高压化
1993年,德国EUPEC公司(欧洲电力电子公司)出现了3200V/1300A的IGBT模块,但它是用多个IGBT芯片串联加并联组成的。只能说是高压化发展的一种尝试。人们曾认为IGBT耐压不会突破2000V,是因为1200V以下的IGBT都是用高阻外延硅片制成的,电压要达到1500V,外延厚度就要超过180微米,几乎是不能实用化的。
1996年,日本东芝公司推出了2500V/1000A的IGBT,具有同大功率晶闸管、GTO管相同的平板压接式封装结构。它突破了外延片的制约,采用(110)晶面的高阻单晶硅片制造,需用的硅片厚度超过300微米,有了足够机械强度。
1998年,耐压4500V的单管IGBT已经开发出来,但是,要想单管大电流IGBT是不可能的。IGBT的制造过程中要做十几次精细的光刻套刻,经过相应次数的高温加工,图形大到一定程度,合格率会急剧下降,甚至为零。所以,制造大功率IGBT,要做到不串联是有希望的,而必然是要并联的。
东芝公司生产的2500V/1000AIGBT而言,它是由24个2500V/80A的IGBT芯片并联而成的,还有16个2500V/100A的超快恢复二极管(FRED)芯片与之反并联(续流二极管)。实现单串多并结构是IGBT走向大功率化的必由之路。
采用NPT结构是IGBT自如并联的必要条件
在制造电力电子器件时,最早是采用NPT(非穿通)结构,以P+n-结二极管为例,它采用一定的电阻率ρ2,
3.3.霹雳(Thunderbolt)型IGBT的问世
一段时间以来IGBT的工作频率被限制在20KHz以下,在采用软开关拓扑的电路中最多可工作到50KHz以下,许多开关电源用到更高的频率,基本是功率MOS场效应管的天下。1998年在第四代技术的基础上,美国IR公司(WARP系列)和APT公司(GT系列)开发了命名为霹雳型IGBT的新器件,由两维集成转向三维集成。其额定电压达到600V,额定电流为0—100A。其硬开关工作频率可达150KHz,谐振逆变软开关电路中可达300KHz。它的开关特性已接近功率MOSFET,而电流密度则为MOSFET的2.5倍,即相同电流时它的硅片面积大大减小,故成本有所降低。
3.4.逆导型IGBT和双向IGBT在研制中
这是适应不同应用线路的需要而开展研制的IGBT派生器件。
4.IGBT模块使用中应注意的问题
IGBT的结构与MOSFET类似,从等效电路和工作机理来说,可以认为IGBT是MOS输入的达林顿晶体管,其输入级是MOSFET,输出级是PNP晶体管。IGBT模块的使用应特别注意以下几方面的问题。
4.1.防止静电对策:IGBT的VGE的保证值为±20V,在IGBT模块上加上了超出保证值的电压场合,由于会导致损坏的危险,因而在栅极-发射极之间接一只10KQ左右的电阻为宜。
4.2.驱动电路设计:严格地说,能否充分利用IGBT器件的性能,关键取决于驱动电路的设计。IGBT驱动电路必须能提供适当的正向栅压、足够的反向栅压、足够的输入输出电隔离能力以及具有栅压限幅电路等。
4.3.保护电路的设计:IGBT模块,因过电流、过电压等异常现象,有可能使其损坏。因此,必须在对器件的特性充分了解的情况下,设计出与器件特性相匹配的过电压、过电流、过热等保护电路。
4.4.散热设计:取决于IGBT模块所允许的最高结温(Tj),在该温度下,首先要计算出器件产生的损耗,该损耗使结温升至允许值以下来选择散热片。在散热设计不充分场合,实际运行在中等水平时,也有可能超过器件允许温度而导致器件损坏。
4.5.栅极串联电阻(Rc):对IGBT来说,增大栅极电阻能够减少IGBT开通时续流二极管的反向恢复过电压,减少通态下出现短路的冲击电流值;与此同时,增大栅极电阻的结果将使开通关断损耗增加,延长开通和关断时间。因此最好的办法是配置两个串联电阻,即RG(on)和RG(off),在实际设计时应考虑具体的应用要求。如在高压二极管的情况下,恢复时间趋长,RG(on)应比产品目录的推荐值大2—4倍。
新型大功率IGBT模块-电子注入增强栅晶体管IEGT(Injection Enhanced Gate Trangistor)
近年来,日本东芝开发了IEGT,其与IGBT一样,它也平面栅和沟槽两种结构,前者已研制成功产品即将问世,后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO两者的优点:低的饱和压降、宽的安全工作区(吸收回路容量仅为GTO的1/10左右),低的栅极驱动功率(比GTO低2个数量级),和较高的工作频率。加之该器件采用了平板压接式电极引出结构,可望有较高的可靠性。与IGBT相比,IEGT结构的主要特点是栅极长度Lg较长,n长基区近栅极侧的横向电阻值较高,因此从集电极注入n长基区的空穴,难以象在IGBT中那样,顺利地横向通过p区流入发射极,而是在该区域形成一层空穴积累层。为了保持该区域的电中性,发射极必须通过n沟道向n长基区注入大量的电子。这样就使n长基区发射极侧也形成了高浓度载流子积累,在n基区中形成与GTO中类似的载流子分布,从而较好地解决了大电流、高耐压的矛盾。目前该器件已达4.5KV/1000A水平。
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