IGBT模块散热器的发展与应用

　　摘要：电力电子器件的发展经历了晶闸管(SCR)、可关断晶闸管(GTO)、晶体管(BJT)、绝缘栅晶体管(IGBT)等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT模块散热器具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。要提高功率MOSFET的耐压能力，势必增加高导通电阻，从而妨碍器件在高电压、大电流范围的应用。针对这些缺陷，20世纪80年代诞生了功率IGBT(绝缘栅双极晶体管)器件，20世纪90年代初进入实用化。近几年来，功率IGBT模块散热器的性能提高很快，额定电流已达数百安培，耐压达1500V以上，而且还在不断提高。由于IGBT器件具有PIN二极管的正向特性，P沟功率IGBT模块散热器的特性不比N沟IGBT差多少，这非常有利于在应用中采取互补结构，从而扩大其在交流和数字控制技术领域中的应用。
　　
　　目前，应用在中压大功率领域的电力电子器件，已形成GTO、IGCT、IGBT、IEGT相互竞争不断创新的技术市场，在大功率(1MW)，低频率(1kHz)的传动领域，如电力牵引机车领域GTO、IGCT有着*的优势，而在高载波频率、高斩波频率下,IGBT、IEGT有着广阔的发展前景，在现阶段中压大功率变频领域将由这4种电力电子器件构成其主流器件。
　　
　　IGBTzui大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管IGBT模块散热器在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外,绝缘材料的缺陷也是一个问题。
　　
　　10年前，IGBT模块散热器出现在舞台的时候，尽管它凝聚了高电压大电流晶闸管制造技术和大规模集成电路微细加工手段二者的精华，表现出很好的综合性能，许多人仍难以相信这种器件在大功率领域中的生命力。现在，跨世纪的IGBT显示了巨大的进展，形成了一个新的器件应用平台。
　　
　　1.智能MOS栅IGBT模块散热器化
　　
　　由于IGBT高频性能的改进，可将驱动电路、保护电路和故障诊断电路集成在一起，制成智能功率模块，一般情况下采用电压触发。
　　
　　通过采用大规模集成电路的精细制作工艺并对器件的少数载流子寿命进行控制，新一代功率IGBT模块散热器芯片已问世。第三代IGBT与*代产品相比，在断态下降时间及饱和电压特性上均有较大的提高。
　　
　　IGBT是双极型晶体管(BJT)和MOSFET的复合器件，其将BJT的电导调制效应引入到VDMOS的高阻漂移区，大大改善了器件的导通性，同时它还具有MOSFET的栅*输入阻抗，为电压驱动器件。开通和关断时均具有较宽的安全工作区，IGBT模块散热器所能应用的范围基本上替代了传统的晶闸管(SCR)、可关断晶闸管(GTO)、晶体管(BJT)等器件。
　　
　　1.1IGBT—PIM
　　
　　IGBT模块散热器的模块内置整流模块电路、逆变主回路和再生回路，以降低损耗和降低成本，这种新型模块称为功率集成模块，简称PIM(PowerIntegratedModule)。IGBT模块是一种高速开关，第四代IGBT在开发中主要采取如下几项新技术。
　　
　　(1)FWD(FreeWheelingDiode)技术
　　
　　在模块中选用降低正向电压(VF)的二极管器件，据测试在600V和1200V系列中，逆变器载波频率为10kHz时产生的损耗与旧系列相比降低20%。
　　
　　(2)蚀刻模块单元的微细化技术
　　
　　由于控制极的宽度(LH)已达到*化设计，故集电—射极之间的饱和电压VCE(SAT)可降低0.5V，使开关损耗降低。
　　
　　(3)NPT(NonPunchThrough)技术
　　
　　使载流子寿命得到控制，从而减少开关损耗对温度的依存性。这样，可减少长期使用过程中的开关损耗。
　　
　　对于IGBT模块散热器这类高速开关的要求无非是高速性和柔性恢复性。对于正向电压VF和恢复损耗Err二者相比，在设计时宁可选择较高的VF值。但当选用高VF值在变频器低频工作时，将会使FWD的导通时间加长并使平均损耗增加，也使变频器在低速高力矩时温升提高。为此第四代IGBT模块散热器特别注意到设计*的电极构造，从而改善了VF、Err关系，使FWD的VF降低0.4V～0.5V，总损耗减少20%。

　　1.2P系列NPT—IGBT模块的特点
　　
　　FUJIP系列IGBT采用NPT工艺制造，比PT(PunchThrough)IGBT有更多的*性，特别适用于变频器、交流伺服系统、UPS、电焊电源等领域，其显著特点如下：
　　
　　(1)电流额定值是在Tc=800℃时标出的。
　　
　　(2)P系列IGBT的VCE(SAT)与温度成正比，易于并联。
　　
　　(3)开关损耗的温度系数比PT-IGBT小，当结温升高时，其开关损耗比PT-IGBT增加的少，因此P系列模块更适合高频应用。
　　
　　(4)1400V系列模块可用于AC380V至575V的功率变换设备中。
　　
　　(5)P系列中，尤其是1400V模块比PT-IGBT有更大的安全工作区，反偏安全工作区(RBSOA)和短路安全工作区(SCSOA)都为矩形。其RBSOA可达额定电流的两倍，SCSOA可达额定电流的十倍。因此，吸收电路可大大地简化，同时，短路承受能力也大大提高。
　　
　　(6)低损耗、软开关，它的dv/dt只有普通模块的1/2，大大降低了EMI噪声。
　　
　　目前，IGBT已发展到第四代;西门子/EUPEC已可提供电流从10A～2.4kA，电压范围为600V～3.3kV的IGBT模块，以1.2kA/3.3kVIGBT为例，其栅极发射极电压仅为15V，触发功率低、关断损耗小、di/dt.du/dt都得到有效的控制。
　　
　　当前高压IGBT模块散热器的研制和应用水平为：600A～800A/6.5kV，工作频率为18kHz～20kHZ，在工艺上，高压IGBT开发主要采取以下措施:一是采用沟槽结构，挖掉了位于栅极下方、夹在P型基区中间的结型场效应晶体管的电阻，改善了减小通态压降和提高频率特性之间的矛盾;二是采用非穿通(NPT)结构取代穿通(PT)结构，因为NPT结构的IGBT芯片具有正电阻温度系数、易于并联，这是IGBT模块散热器大功率化的必由之路;三是高压IGBT作为高频器件，电磁兼容问题值得重视，采用电感封装技术可确保系统长期可靠的运行，大容量高压IGBT模块散热器适合采用平板式封装结构。