IGBT模块的最新发展趋势

高功率IGBT模块中的IGBT元胞通常多采用沟槽栅结构IGBT，与平面栅结构相比，沟槽栅结构通常采用1μm加工精度，从而大大提高了元胞密度。由于栅极沟的存在，消除了平面栅结构器件中存在的相邻元胞之间形成的JFET效应，同时引入了一定的电子注入效应，使得导通电阻下降。为增加基区厚度、提高器件耐压创造了条件。所以近几年来出现的高耐压大电流IGBT器件均采用这种结构。

日本三菱和日立公司近年分别研制成功了3.3kV/1.2kA巨大容量的IGBT模块。它们与常规的GTO相比，开关时间缩短了20%，栅极驱动功率仅为GTO的1/1000。富士电机公司研制成功了1kA/2.5kV平板型IGBT，由于集电极-发射极采用了与GTO类似的平板压接结构，因此采用了更高效的芯片两端散热方式。特别有意义的是，避免了大电流IGBT模块内部大量的电极引出线，提高了可靠性和减小了引线电感，缺点是芯片面积利用率下降。所以这种平板压接结构的高压大电流IGBT模块也可望成为高功率高电压变流器的优选功率器件。IGBT的最新技术动向是采用沟槽结构，减小通态压降，改善其频率特性；其次采用NPT技术实现IGBT的大功率化；再就是充分满足应用需求简化IGBT驱动和保护电路设计，便于并联和安装。

在现代工业中，1200V的IGBT的应用非常广泛，如在电动机驱动、UPS、逆变焊接电源等设备中都广泛采用。其日益增长的市场份额正促使IGBT的性能连续不断地改进，例如，向更低的工作损耗、更大的输出功率方向发展。为降低IGBT器件的损耗从而减少整个系统的成本和体积，必须考虑两个主要参数：饱和电压和开关能量。在低频段逆变电路的损耗主要由饱和电压决定，而在高频段开关能耗则起着重要的作用。因此针对不同开关频率提供多种可供选择的器件肯定会受到市场的欢迎。

1.采用SPT技术和沟道-场截止（Trench-FS）技术的IGBT

目前，广泛使用的NPT型IGBT使用一块同极性的N^-掺杂硅片衬底（厚约200μm），在该基片的顶部形成一个功率MOSFET栅极结构，而在底部通过插入一P⁺层形成一双极性PNP型晶体管。具备这种同极性衬底结构的IGBT有很多优点；如很高的可靠性，特别是在短路情况下饱和电压的正温度系数以及矩形状的反向偏置安全工作区（RBSOA）。

NPT技术能更好地协调IGBT的稳定性、开关损耗和导通损耗之间的关系，既具有平板珊的稳定性同时也具有沟槽珊的低饱和压降（V_CEsat）的特点，稳定性加强了模块工作的可靠性，故障率大大下降。而饱和压降的降低更使模块的动态损耗得以减少，发热量更少，从而使模块的寿命更长，系统的保护回路也得以简化。如德国优派克（EUPEC）公司最新推出IGBT-3模块，在同样封装体积时，其电流密度增加了50%，同样额定电流下，其体积更小、功率密度更高。IGBT-3晶片所能承受的最高结温为175℃，比原来NPT晶片超出25℃，这是一种技术的新突破，它使得IGBT模块在过热保护设计中更加容易，裕量更大，运行更加安全可靠。

（1）SPT型IGBT

采用软穿通技术的IGBT在N^-基片下有一附加的N⁺缓冲区层，当N^-基片减至最薄时，N⁺缓冲区会阻止器件发生“穿通型”击穿。因此SPT型IGBT能够比NPT-IGBT使用更薄的衬底，在基片的顶部生成一个标准的平面功率MOSFET栅极。SPT型IGBT变薄的N-基片使得和NPT型IGBT相比，其通态电压更低，开关损耗更小。

SPT型IGBT的开关性能也得到了优化，关断时电压为线性上升，过冲电压很低，尾电流短而小，下降段和末尾段之间可以平滑过渡，开关损耗也很低。SPT型IGBT和标准NPT型IGBT比较，在芯片面积以及热阻几乎不变的情况下，其饱和电压特性得以改进。(www.xing528.com)

（2）Trench-FS技术

Trench-FS技术也是在N^-基片底部附加一层N⁺层，同时在上述结构中还嵌入了一个深的沟道栅极。这种优化的栅极结构和底部发射极在N^-基片中形成一块优化的矩形状等离子层。这种特殊结构使Trench-FS型IGBT和NPT-IGBT相比饱和电压下降30%，芯片尺寸约为原先的70%，因此电流密度大大提高，然而产生的副效应就是热阻变大。

与SPT型IGBT相比，加工Trench-FS型IGBT需要更复杂的工艺，可是对同样厚度的这样两片芯片，Trench-FS型IGBT所需的硅材料减少（芯片面积减小）。Trench-FS型IG-BT和SPT型IGBT与当前普遍使用的NPT型IGBT相比，两者的性能都得到了显著的改进，但又各有所长，Trench-FS型IGBT的通态电压更低，SPT型IGBT的开关损耗最小，更适合于高开关频率下的应用。这两种IGBT都能够承受瞬时短路（至少10μs），动态稳定性也得到不同程度的改善。

2.采用CAL为续流二极管的IGBT模块

因为Trench-FS芯片的高电流密度，Trench-FS型IGBT芯片组在功率模块封装里可以获得更大的额定电流。然而，如果续流二极管的尺寸不做相应调整，IGBT电流的提高是相当有限的，因此二极管也需要具有高电流密度和低的正向导通电压。

SEMIKRONCAL（受控轴向载流子生存周期）二极管使用深度掺杂N⁺的N^-衬底做基片。在阳极一侧，P⁺保护环被掺杂达到1200V或更高的阻断电压。通过特别的离子注入技术可使复合中心形成预定的轴向分布。用此技术制造的二极管具备很高的稳定性，它能工作在关断时di_F/dt特别大（高达15kA/μs-cm²）的工况下，因此非常适合做快速开关IGBT（特别是阻隔电压在1200V或以上）的续流二极管。

CAL二极管具备软恢复特性，而且该特性和电流大小及其他条件无关。电路设计时该特性可简化EMI兼容性方面的考虑，而且在整个电流和温度范围内反向恢复电流的跳变被消除。反向电流的逐渐减小也使得反向电压峰值变小。此外，CAL二极管关断能耗很低，小反向峰值电流有助于减少相对应IGBT的开通损耗。因此，这种类型的二极管与SPT-IG-BT能良好的匹配，两者的结合构成的IGBT开关器件表现出优越的开关性能和很低的开关损耗。