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用于大功率高可靠性应用的高压IGBT模块

发布日期:2021-12-22 浏览次数:854 来源:三菱电机半导体作者:网络
 
当涉及到高可靠性要求的大功率应用时,传统的标准封装HVIGBT模块仍然是较好的选择。本文解释了选择标准封装的原因以及如何通过各种创新技术使其产品性能提升一个层次。

Nils Soltau1, Eugen Stumpf1, Junya Sakai2, Hitoshi Uemura2
1:三菱电机欧洲有限公司
2:三菱电机功率器件制作所

摘要

20世纪90年代后期,2500V和3300V等高额定电压的IGBT功率模块开始开发和商用。最初,这些HVIGBT被设计为GTO的替代品,用于大功率和高可靠性要求的应用场合,例如铁路牵引逆变器[1]。随后也在其它许多大功率场合开始应用。

当时采用的元件封装与现在HVIGBT功率模块具有相同的外形。也就是广为熟知的标准封装,尺寸为190mm*140mm。

标准类型封装的优点是具有较大的电流等级。由于模块内部一般为单个开关器件,为复杂转换器拓扑应用提供了很大的灵活性。三菱电机采用最新的芯片和封装技术进一步开发了新系列标准封装HVIGBT。

最新的标准封装HVIGBT采用先进的X系列芯片组,电压等级从1700V到6500V。图1显示了不同的标准封装类型。本文展示了三菱电机开发这些功率模块的原因和目的。与前几代相比,这些功率模块的效率、功率密度和鲁棒性都有所提高。我们将对实现这一改进的关键技术进行研究。


 

适用标准封装HVIGBT的应用


HVDC
考虑到大容量电力传输,基于IGBT功率模块的高压直流输电技术已经比较成熟。与传统的基于晶闸管的传输系统相比,IGBT方案更紧凑、更灵活[2]。在最先进的高压直流输电系统中,直流输电电流可以达到2kA甚至更高[3][4]

STATCOM
可再生能源发电在电网中的占比正在稳步增加。与此同时,与二氧化碳减排目标相关的燃煤发电占比正在下降。由于大型发电机组减少导致电网系统惯性降低,以及可再生能源发电的波动,都给电网的稳定带来了困难。STATCOMs(静止同步补偿器)能够通过提供无功功率、有源滤波、减少闪烁或稳定频率来稳定电网。基于MMC的STATCOM是高度模块化的[5],例如文献[6]提出的单个变流器支路可以提供±400MVA的感性或容性无功功率。

中压驱动器
中压(MV)驱动器允许在3.3kV或更高的电压范围内控制大功率电机和发电机的速度。这些驱动系统用于海上风力发电、研磨机、传送带、压缩机或船舶推进器。通常,这些驱动器有很高的可靠性要求。为了回收电能,双向功率传递往往是强制性的。对于这样的中压驱动器,经常使用多电平转换器拓扑,如三电平 NPC转换器或其它五电平或者7电平拓扑[6]

上述所有应用都有一个共同点,即它们都需要具有较大电流能力的IGBT功率模块。此外,终端客户对变换器的可靠性和半导体功率模块的鲁棒性有很高的要求。特别是当考虑3电平、5电平或7电平变换器拓扑时,叠层母排设计变得具有挑战性。因此,半导体功率模块应为变流器设计提供尽可能多的自由度。

上面的三个例子表明标准封装仍然是很多应用的首选。在130×140mm²的封装中,标准封装功率模块输出电流可以达到2400A。此外,该封装在几十年的现场运行中被证明是合适的。标准封装最初的特点是内置单个开关功率器件。在变流器设计中,单个开关允许最大的自由度,这对于多电平拓扑结构尤其重要。另一个用途是开发或完善现有的变流器平台。新的标准封装功率模块的外形与前几代功率模块兼容。因此,切换到较新的一代HVIGBT模块是很容易实现的。新一代HVIGBT模块允许更高的输出电流、更高的功率循环能力和对湿度的鲁棒性。图2说明了X系列HVIGBT模块可以将输出电流增加50%或将尺寸减小到2/3。


图2 与之前的H系列相比,新的X系列输出电流和紧凑性得到了改进

 

X系列标准封装功率模块技术特点


CSTBT (III) and RFC二极管
这一代高压功率模块利用了第7代芯片的所有优势,IGBT采用了CSTBT (III)(Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor)芯片技术,续流二极管采用RFC (Relaxed Field of Cathode)结构。这两种芯片技术可以实现通态损耗、开关损耗的降低和增强的开关性能,同时扩展了鲁棒性、低损耗和SOA这三项技术边界。

CSTBT是三菱电机的注册商标。CSTBT技术是IGBT沟槽栅结构的改进技术。三菱电机1994年提出的沟槽栅结构功率器件,与平面栅IGBT相比[7],可以降低通态电压以及增强抗闩锁性能。沟槽栅IGBT的一个主要优点是消除寄生JFET电阻。该技术与LPT(Light Punch Through)技术相结合,可以显著降低IGBT的VCE(sat)

CSTBT在栅极沟槽之间的p基区下面插入n层,n层用于储存载流子,因此,CSTBT结构中载流子分布就和PIN二极管一样。少子浓度增加,通过复合,进一步减少通态损耗[8]。图3是三菱电机提出的CSTBT技术与传统沟槽栅技术的差异。半透明的n掩埋层增加了n-漂移层中少子的浓度。


图3 CSTBT与传统IGBT的比较

 

CSTBT (III)是对CSTBT技术的进一步改进发展,其重点在于降低关断损耗和增强VGE(th) 等特性参数分布的均匀性[9]。在被SiC功率器件替代之前,这一改进可以进一步提升Si器件的利用率。

另一方面在续流二极管中开发并应用RFC技术,提高了效率和可靠性。通过引入“轻穿透(LPT) II”和“控制载流子层(Controlling Carrier-Plasma Layer,CPL)” 等技术[10] [11] [12],提高了动态鲁棒性和恢复柔软度两个特性。图4显示了芯片背面LPT(II)缓冲层,主要用于提高二极管的柔软性,改善EMC特性,从而提高整个功率模块的鲁棒性。


图4 RFC二极管结构

RBSOA能力
HVIGBT的一个关键参数是其关断能力。因此,需要一个宽的关断安全工作区,称为RBSOA(反向偏置安全工作区)。通常,规定的最大关断电流是数据表中提到的额定电流的两倍。为了保证功率模块在所谓浴盆曲线“使用寿命”区间低FIT运行,实际的关断能力必须高于规格设定值。下面的示例演示了规格值和实际能力之间的差距有多大。在本例中,使用6500V功率模块的一部分功率单元来进行关断试验,其额定电流为330A。图5显示了在VCC= 4500V,Tj=150°C的最恶劣工况下关断电流2000A。实际关断能力是RBSOA规格值(330Ax2)的3倍。文档[13]中提到1000A/6500V功率模块CM1000HG-130XA的关断,其关断裕度是RBSOA的4倍。


图5 关断波形(2us/div)

短路鲁棒性
为了增强变换器的鲁棒性和减少故障后的停机时间,IGBT功率模块通常要求具有抗短路能力。但是,并不是每一种短路对功率模块的影响都是一样的。短路有不同的分类, 例如,当在IGBT开启之前发生短路,称为1类短路。相反,当IGBT已经开通并流过电流时发生短路,称为2类短路[14]。 

图6显示了2类短路的测试设置。IGBT 1常关,只用于续流。IGBT 2是实际的被测器件(DUT)。“短路器”IGBT 3与短路电感LSC一起模拟短路,LSC大大低于负载电感Lload。开始测试时,DUT导通,电流增加。当达到所需的测试电流时,打开短路器,导致电流急剧上升。在指定的时间后,DUT关断。存储在电感LSC和Lload中的电流通过IGBT 1续流。当电流为零时,测试结束。


图6 2类短路测试装置

图7展示了6.5 kV功率模块的短路耐受能力。试验采用CM1000HG-130XA的三个主端子中的一路(也即1/3模块),对应约330A的额定电流。在短路发生时刻,IGBT内流过3倍的额定电流,即1000A。在短路过程中,当IGBT发生退饱且电流不再上升时,电流达到几乎4kA。经过10μs后,DUT成功地关断,并完好无损。这次测试再次证明了X系列功率模块的高鲁棒性。


图7 使用CM1000HG-130XA 1/3部分进行2类短路测试波形(工况:VCC=4200V Tj=150°C, VGE=15V, tw=10μs, IC (短路发生之前)=1000A (3倍额定电流))

功率循环能力
尽管X系列标准封装功率模块从外部看起来类似于前几代,但内部包含了许多技术改进。许多这些改进的目标是增加功率模块的功率循环能力。

与前几代相比,X系列使用高温焊料进行芯片连接。此外,除了金属化陶瓷基板的改进,用于将基板连接到底板的焊料也得到了改进。最后,采用改进的凝胶材料进一步提高了功率循环能力。进行了如图8所示的功率循环测试。经确认,与前一代相比,新封装技术使功率模块的功率循环能力提高了2.7倍[15]


图8 3.3kV X系列功率模块与上一代的功率循环次数对比试验[15]

抗湿度鲁棒性
近十年来,湿度、温度、污染等环境因素对电力设备可靠性的影响已成为主要研究课题,对于室外设备应用环境,这些因素无法控制。本章描述了功率模块在湿度环境下的鲁棒性。文献[16] [17]描述了这种抗湿鲁棒性设计的必要性。 

硅凝胶是功率模块中最常用的封装材料。硅凝胶中如果存在湿气,当应用在相对较高的电压时,会激发偶极子的形成,即所谓的表面电荷QSS。表面电荷数量对芯片场限环和雪崩击穿电压有显著影响。图9为6.5 kV IGBT芯片的表面电荷与阻断电压能力的关系[18]。湿度带来的电压阻断能力降低可能导致灾难性的故障,这种不可预测的故障是要避免的。通过对封装材料、芯片结构和钝化材料的改进[18],可以达到抗湿度的效果。同时设计专用芯片结构,提高功率芯片的固有抗扰度是减小湿度对功率器件可靠性影响的关键因素。


图9 表面电荷QSS与阻断电压的关系

2015年三菱电机提出了SCC(表面电荷控制)技术[19]。图10展示了SCC技术的概念。它在钝化层下使用半绝缘层而不是绝缘层。该技术可以降低寄生电容,并作为通流路径发挥重要作用。在电压偏置条件下,由高电场产生的载流子在硅层表面和半绝缘层或者传统绝缘层之间的界面上聚集。然而,载流子会通过优化的半绝缘层清除,如图10所示。另外,漏电流密度存在温度依赖性。在室温下,由于有额外的漏电流通过半绝缘层,SCC类型的漏电流密度略高于无SCC类型。


图10 表面电荷控制(SCC)概念

另一方面,SCC型在高温时具有优越的特性,因为半绝缘层在终端实现最佳的电场分布[19]。抗湿度鲁棒性的验证可以通过文献[18]中提出的测试来完成(参见图11)。这个测试使功率模块内部在较高的湿度应力下产生凝露。三菱电机提出了一种新的自动凝露试验方法,利用湿度箱更有效地进行循环凝露试验[20]。这种自动测试有助于推导出现场工况与严苛的考核测试之间的加速因子。此外,为了了解在一定湿度下湿度和温度变化对功率模块退化的影响,文献[21]中提出了寿命模型。 


图11 凝露测试步骤

 

目前三菱电机将温度、湿度和电场这三个应力因素结合起来进行可靠性试验,也即H3TRB,是三菱电机在高压功率模块发布前进行的一种标准加速可靠性试验。在85°C/85%RH条件下,将X系列与传统模块进行对比,测试结果表明X系列性能提高了100多倍。在IEC 60721-3-5 5K2参考条件下,从H3TRB测试结果可以得到X系列可以实现抗8000次凝露的空前鲁棒性[22]

 

结论


X系列功率模块包括额定电压1.7kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV的器件,其模块列表如图12所示。优先开发的是采用大封装尺寸140x190 mm²的大电流等级功率模块,其次是中封装130x140mm²的功率模块。目前,在满足热设计的前提下,为同一额定电压和额定电流值又开发了上述两种不同封装的功率模块。图12中所示的功率模块已完成开发,并顺利通过了所有的可靠性测试,测试报告可根据要求提供。所有使用的封装材料均符合欧洲铁路安全标准EN45545。


图12 X系列HVIGBT功率模块列表(*产品开发中)

 

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