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第32讲:HVIGBT芯片技术发展史

发布日期:2020-09-21 浏览次数:11984 来源:三菱电机作者:网络
 三菱电机HVIGBT技术的发展历史

从1996年起,三菱电机HVIGBT开始推向市场,凭借其优异的性能在以下几个领域得到了广泛的应用。

#应用领域#

#  机车传动领域:主牵引变流器、辅助变流器

电力传输领域:高压直流输配电、无功补偿

#  新能源领域:风力发电

#  大功率电机控制:高压变频器


经过不断的持续优化改进,迄今为止,三菱电机共推出了H系列、N系列、R系列以及X系列HVIGBT,其电压等级从1.7kV至6.5kV,丰富的产品线使得用户很容易找到适合自己的产品。
图2.1是三菱电机HVIGBT的发展概况。



 

图2.1 三菱电机HVIGBT的发展概况

2.2

三菱电机HVIGBT的设计原则


HVIGBT高压大电流的特点以及应用领域决定了客户对产品质量要求非常高,为了保证向客户提供优质的产品,三菱电机HVIGBT在设计过程中,严格遵守以下五个设计原则:

采用标准封装

HVIGBT作为电力电子变换器中的关键器件,对变流器散热系统的设计影响很大,因此不同功率器件厂家的封装设计是否兼容,对客户来说非常重要。三菱电机的HVIGBT模块,按照客户的要求,采用了标准的通用封装。相同的封装可使客户方便找到后备供应商。

高鲁棒性设计

为了满足工作中的高鲁棒性,三菱电机HVIGBT设计采用高的鲁棒性标准。详情敬请期待本专栏第40讲。


高性能要求

优异的性能表现,可以提高产品的效率,延长产品的使用寿命。为了提升产品的性能,三菱电机的HVIGBT产品在设计过程中会对以下几点进行持续改进:

  • 低功率损耗:减小HVIGBT的通态饱和压降和开关损耗,优化两者之间的折衷关系

  • 低热阻抗:采用性能优异的导热绝缘材料,优化焊接工艺

  • 宽安全工作区:通过优化硅片设计,使HVIGBT拥有宽安全工作区


高可靠性设计


为了实现产品的高可靠性,三菱电机的HVIGBT采用了以下先进技术:
  • 使用AlSiC底板:降低材料热膨胀对热循环寿命的影响,延长HVIGBT热循环寿命

  • 优化芯片布局和引线键合:优化引线,并增加引线与芯片接触面积,降低引线与硅片接触点温度,从而延长功率循环寿命

  • 控制焊接厚度:优化焊接层的热阻和焊接质量

  • 优化主端子设计:增加主端子截面积,降低电阻并提升主端子的电流输出功率

  • 优化焊接工艺:增加焊接可靠性

  • 优化绝缘基板的金属化设计:增加端子,芯片等焊接的可靠性


严格质量控制

为了确保优质的产品质量,在生产过程中,三菱电机的HVIGBT采用了以下方法来对产品质量进行有效的控制:
  • 通过优化晶圆工艺来缩小芯片的参数分布区间

  • 采用先进的焊接工艺

  • 100% X射线检查焊接质量

  • 抽真空灌注凝胶以实现较高局部放电电压

  • 底板平整度控制

  • 100%交货检验测试(静态参数、动态参数、RBSOA、SCSOA、RRSOA)

2.3

三菱电机HVIGBT芯片


2.3.1  H系列HVIGBT芯片

H系列IGBT芯片采用标准的平面栅极构,主要特点是高鲁棒性,拥有良好的量产交货记录。该系列在牵引领域有着广泛的应用。



图2.2  H系列HVIGBT芯片剖面图

2.3.2  N系列HVIGBT芯片




图2.3  N系列HVIGBT芯片剖面图

N系列HVIGBT芯片采用载流子存贮式沟槽栅型双极晶体管(CSTBTTM)及轻穿通(LPT)结构。与传统沟槽栅结构相比,在p基区和n-层之间增加了一个n积蓄层。载流子积蓄层形成了一道内部屏障,阻止了从p+层注入n-层的正穴大量迸入发射极区。这种结构能够减小IGBT的通态饱和压降,并优化VCE(sat)和Eoff的折衷关系。因此,与H系列HVIGBT相比,N系列HVIGBT具有更低的损耗和更高的电流密度。
N系列HVIGBT采用具有软恢复特性的二极管芯片,能有效降低二极管的反向恢复电流。

2.3.3  R系列HVIGBT芯片



图2.4  R系列HVIGBT芯片剖面图

R系列HVIGBT芯片采用增强平板型及轻穿通(LPT)结构。与H系列相比,进行了从PT到LPT的改进,以及精细MOS平板栅极结构优化。通过上述改进,虽然与H系列同为平面栅极结构,但是其通态饱和压降与开关损耗之间的关系有了很大的改善,电流输出密度有所提升。
由于采用LPT结构,R系列HVIGBT芯片具有正温度系数,有利于器件的并联使用,并大幅度降低了漏电流。



图2.5  H系列与R系列HVIGBT饱和压降与关断损耗之间的折衷对比

与N系列HVIGBT一样,R系列HVIGBT也采用具有软恢复特性的二极管芯片,用来降低二极管的反向恢复电流。


 

图2.6  H系列二极管反向恢复(左)
图2.7  R系列二极管反向恢复(右)

2.3.4  X系列HVIGBT芯片


X系列HVIGBT芯片采用第三代(CSTBTTM)及轻穿通(LPT)结构,与R系列相比有更低的饱和压降和开关损耗。在硅片设计中采用新的场限环线性缩窄技术LNFLR (Linearly-Narrowed Field Limiting Ring),从而增加芯片的有效导电面积,与R系列相比,功率密度得以进一步提升。同时在芯片的衬底增加了部分P区,减小空穴的注入效率,使芯片具有更宽的安全工作区。

为了提高HVIGBT的抗潮湿和抗凝露能力,X系列HVIGBT芯片还采用了钝化层表面电荷控制(SCC,Surface Charge Control)技术,在场限环上方增加一个半绝缘层,如图2.9所示,可以有效提高器件在潮湿环境下工作的可靠性。

X系列HVIGBT的二极管采用了阴极侧电场分散结构RFC(Relaxing electric field of cathode side),续流回复能力更强。


 

图2.8  X系列HVIGBT芯片剖面图



图2.9 钝化层表面电荷控制技术

表2.1三菱电机6.5kV HVIGBT相同封装下电流密度的提升对比


 
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