第32讲：HVIGBT芯片技术发展史-企业信息-自动化新闻网

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(CSTBT^TM)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V_CE(sat)和E_off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(CSTBT^TM)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

第32讲：HVIGBT芯片技术发展史

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