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具有高温工作能力的1700V SPT+ IGBT和二极管芯片组

作者:时间:2012-05-25来源:网络收藏

1简介

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/230468.htm

过去几年,功率半导体的发展趋势,主要集中在对给定的应用提高功率密度。但当考虑到工作时的总功耗、安全工作区容限和允许的最大结温时,这种性能指标受到挑战。随着最先进的IGBT正慢慢接近损耗降低的极限,提高最大结温已成为当今功率器件开发的主要动力之一。由于热流跟温差成正比,如果半导体器件允许的结温更高,将为产生的热量提供更好的传导,进而增加给定器件面积的功率密度。

从2005年开始,平面SPT+技术已成功引入到从1.2kV到6.5kV不同的电压等级中[1][2]。本文将介绍一种改进了的1700VSPT+。其研发应用于额定值3.6kA/ 1700V HiPak2模块封装,且指定工作结温为Tj=150℃。SPT+技术可使导通损耗减小,加之它具有比25℃更高(可能是125℃,疑误—译者)的温度承受能力,故同当前典型的水冷应用的SPT一代相比,新型的1700V SPT+IGBT模块在频率从250Hz变化到1000Hz时逆变器输出电流增加了20%,如图1所示。

图1逆变器输出电流随开关频率变化:1700V SPT与SPT+HiPak2对比2 1700V SPT+技术

2.1 SPT+IGBT技术

同原始的平面IGBT元胞相比,SPT+技术的主要优点是在减小导通损耗的同时,保留了具有相同开关控制能力的SPT(软穿通)纵向设计。上述优点的实现,是通过在IGBT MOS单元的P-well周围引入一个N型增强层来实现的,如图2剖面结构所示。增强层增大了IGBT阴极端的载流子浓度,因此,在没有显著增加关断损耗的同时使导通压降降低。N型增强层的杂质分布形式是仔细优化了的,以避免任何对SPT+IGBT的关断安全工作区及耐压能力的负面影响。1700V SPT+IGBT的最终设计将胜过具有相同面积的以往SPT产品,它的导通损耗更低而关断损耗与SPT相当,可多承受20%的电流。

为确保在Tj=150℃时能可靠工作,引入了一种基于偏置环概念[3]的新型终端设计。这里环的互连是通过一个半绝缘层来实现的,正如剖面图2所示。同基于结终端扩展概念的以往产品相比较,已证明,这种终端设计在能提供更窄的漏电流分布的同时,不受内部环间距变化和界面态的影响。已获得一个非常好的耐压能力和反向漏电典型值,这将确保器件在1700V、温度高达165℃、Rth=1.2kV时稳定工作。

图21700V SPT+IGBT元胞及终端示意图

图 31700V SPT+二极管示意图及载流子寿命分布图

2.2 SPT+二极管技术

图3显示了一个SPT+二极管的剖面图。SPT+二极管采用了与标准SPT技术相同的设计,即利用了一个重掺杂P+发射极。通过利用局部和整体载流子寿命控制,二极管中等离子体的分布符合低正向压降和软反向恢复要求[4]。局部寿命控制是通过质子(H+)辐照代替前一代二极管产品中所应用的氦(He++)辐照而得到的。已经证明这种技术可有效减小复合能级的产生率( 它决定着耗尽层载流子的产生),因此,使高温下漏电流显著减小[5]。优化了硅设计和终端设计,以提供更高的阻断容限。

3 1700V SPT+ 高温芯片的性能

为应用于1700V HiPak2模块中,对这种进行了特殊优化。1700V HiPak2模块的额定电流值为3.6kA,适用于Tj=150℃工作。由于综合了大电流和大寄生电感,这种应用对软而可控的开通,关断转换要求很高。因此,将从芯片和模块级测试,讨论芯片组的静态和动态特性。

3.1静态特性

图4给出了Tj=150℃时不同栅压下,1700V SPT+IGBT芯片所测得的通态曲线。标称电流下典型的通态压降(VCE,on),在Tj=125℃时为2.95V,Tj=150℃时为3.1V。从低电流开始,SPT+IGBT的通态压降(VCE,on)就表现出强正温度系数。它保证了有同模块中各芯片间电流的良好分配。如图5所示,结温为Tj=150℃时,测得的1700V二极管典型正向电压为2.15V。在标称电流一半处,二极管(导通压降)也表现出了正的温度系数。这是优化局部载流子寿命分布的结果。在标称电流下,工作在室温和125℃时的压降差为250mV,这也确保了芯片并联时的安全。正如图6看到的,高温反向阻断下,与之前的SPT二极管工艺平台相比,二极管的漏电流减小了两倍多。

图4Tj=150℃时不同的偏压下,1700V SPT+IGBT通态曲线

图5不同温度下 1700V二极管芯片正向特性


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