采用第六代IGBT模块增加寿命和降低成本

作者：Taketo Nishiyama和Yuji Miyazaki，三菱电机公司

第1阶段开发的NX系列IGBT模块的封装具有很高的灵活性，另外，减小IGBT模块的功耗是客户期望降低整个系统成本，降低EMI噪声辐射，以及延长寿命的关键。先进的CSTBTTM硅片技术为NX系列IGBT模块第2阶段开发提供了很好的解决方案。

NX系列IGBT模块

通常，IGBT模块被设计成各种尺寸以满足合适的空间和好的性价比，而且IGBT模块包含了外壳、底板、端子、绝缘部分，以及功率硅片等许多封装部件。NX系列采用统一的封装部件和通用的封装工艺实现了容量范围大且能提供各种电路拓扑结构的模块。除了1单元、2单元、7单元和CIB中整流-逆变器-制动器结构外，还可以按照客户的要求定制模块。各种封装类型可将各种电路灵活地封装到母板上并能灵活设计端子结构。

图1：NX系列封装（a）（c）7单元，（b）（d）2单元例子

硅片技术

IGBT硅片工艺

图2所示为优值系数（FOM），表示IGBT性能的过渡。在Tj=125℃时，FOM＝Jc/（VCE（SAT）E_off），其中Jc为芯片电流密度，V_CE（SAT）为饱和电压，E_off为关断损耗。Mitsubishi第6代IGBT的FOM高于第5代30%。

图2：IGBT的FOM

第6代IGBT

第6代IGBT硅片是基于CSTBT^TM技术研发的。图1示出它和第5代IGBT硅片的剖面图。两代硅片都有载流子存储层。第6代IGBT硅片用薄晶片工艺技术将非穿通结构改为轻穿通结构，且通过元胞的优化设计可改善V_CE（SAT）-E_sw（off）的平衡关系。

图3：IGBT的横截面

采用精细图案工艺缩短元胞单元的间距并优化载流子存储层的掺杂浓度。从而加强了载流子存储层存储载流子的效果。V_CE（SAT）-E_sw（off）折衷关系得到显著改善，如图4所示。

图4：Tj=125℃时，V_CE（SAT）和E_sw（off）的关系

图5：SCSOA波形

新设计的续流二极管

较新设计的续流二极管简称（FWDi），以前的续流二极管的结构如图6所示。如图7所示薄晶片工艺技术改善了正向压降VF和反向恢复功耗Esw（rec）的平衡关系。

图6：FWDi的横截面

图7：Tj=125℃的VF和Esw（rec）的关系

导通特性

降低导通波形的dv/dt能够很好地抑制设备产生的EMI。通常采用控制外接栅极驱动速度来降低开关导通时的dv/dt。然而，降低dv/dt会增加IGBT硅片的导通损耗。图8示出E_sw（on）和dv/dt的关系。开关速度可以由改变栅极电阻来调节。假定客户应用时的dv/dt=7.5kV/µs，则在此条件下第6代IGBT的E_sw（on）比原有的IGBT低20%。

图8：Tj=125℃时E_sw（on）和dv/dt的关系

关断特性

在开关关断的时候，N层中有很多电子空穴和自由电子。因此，集电极电流不可能被迅速阻断，而是逐渐减小。集电极电流衰减的时间取决于电子的寿命。另外，第6代IGBT由于采用优化的LPT结构，从而改善了拖尾电流。其关断拖尾电流比第5代的小，因此硅片的关断损耗比第5代的更低。

图9：Tj=125℃时的关断波形

功率损耗性能

在模块的额定电压电流值为1.2kV/150A，30kW满载，400VAC条件下，对通用PWM变频器驱动中应用的第5代和第6代IGBT模块的功率损耗进行了仿真，栅极电阻值的选取要保证每个器件开通波形的dv/dt为相同值（7.5kV/μs）。IGBT/FWD硅片的总的功率损耗包含开关损耗和静态损耗。仿真结果表明，第6代IGBT模块的功率损耗比第5代的低约20%。

热仿真

在NX系列2单元模块的额定电压电流值为1.2kV/1kA，输入电压为400V，185kW变频器满载运行条件下，对NX系列IGBT模块进行热仿真。仿真得出，第6代IGBT的Tj比第5代的平均低25℃。新的续流二极管的Tj比原有的平均低21℃。

结论

NX系列IGBT模块采用较新开发的第6代IGBT和新设计的续流二极管，使功率损耗和发热比以前的产品更低，而且可以提高客户应用系统的效率。另外，第6代NX系列IGBT模块灵活的封装和优越的性能可很好地拓展客户的应用范围。第6代NX系列IGBT模块对于电力电子系统的发展具有很大的潜能。

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