GBT和二極管性能的下一次飛躍

未來(lái)一代IGBT模塊將采用增強(qiáng)型溝道ET-IGBT和場(chǎng)充電提?。‵CE）二極管，能夠提供更高水平的電氣性能，包括低損耗、良好的可控性、高耐用性和軟二極管反向恢復(fù)等方面。

盡管，過(guò)去二十年絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和反并聯(lián)二極管已經(jīng)經(jīng)歷了重大突破，相對(duì)于導(dǎo)致器件整體性能明顯飛躍的器件工藝和設(shè)計(jì)理念，進(jìn)一步開發(fā)工作正在進(jìn)行中，為的是實(shí)現(xiàn)新水平的更高功率密度、更好的操控性和耐用性。在這篇文章中，我們首先將簡(jiǎn)要地討論目前IGBT和二極管的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)專注于下一代技術(shù)；即增強(qiáng)型溝道IGBT（ET-IGBT）和場(chǎng)充電提?。‵ield Charge Extraction，F(xiàn)CE）二極管。然后，將展示新的器件概念和它們?cè)?.3 kV電壓等級(jí)的電性能。

IGBT和二極管的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

目前，IGBT的三個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)都瞄準(zhǔn)（a）增強(qiáng)型溝道ET-IGBT的更高功率密度，（b）高于傳統(tǒng)125℃的更高的工作溫度，和（c）IGBT/二極管集成解決方案，被稱為反向?qū)≧CIGBT或雙模式絕緣柵晶體管（BIGT）。在BIGT情況下，單個(gè)芯片方法提供了改進(jìn)的性能，尤其是對(duì)由于取決于給定應(yīng)用要求的可用二極管面積的限制。然而，傳統(tǒng)IGBT/二極管雙芯片方法仍然是許多主流應(yīng)用的重要發(fā)展路徑。如今，具有相似損耗性能的最先進(jìn)的高電壓器件，在軟穿通（SPT）結(jié)構(gòu)中采用了增強(qiáng)型平面IGBT（EP-IGBT）或溝道IGBT MOS單元概念。然而，對(duì)于低于2 kV的額定值來(lái)說(shuō)，除了溝道IGBT，先進(jìn)ET-IGBT已經(jīng)是一個(gè)成熟的技術(shù)。此外，ET-IGBT概念也能夠?yàn)楦邏篒GBT提供下一個(gè)步驟的損耗減少。圖1展示了一個(gè)3300 V IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)Vce（sat）損耗的減少，相當(dāng)于在相同體積SPT平臺(tái)上用新的ET-IGBT MOS單元實(shí)現(xiàn)了相同關(guān)斷損耗（Eoff）。然而，必須指出的是，基于溝道的IGBT，特別是對(duì)較高額定電壓，相對(duì)于可導(dǎo)致IGBT導(dǎo)通期間最佳開關(guān)性能不太可控的基于平面的器件，它表現(xiàn)出一種固有的高有效柵極輸入電容?？朔诉@種不利方面，結(jié)合ET-IGBT的更低損耗，將為下一代高電壓IGBT提供理想的解決方案。

對(duì)于快速二極管器件，損耗和反向恢復(fù)軟度仍然是匹配新的ET-IGBT性能的關(guān)鍵性能指標(biāo)。場(chǎng)充電提?。‵CE）概念表明，極端開關(guān)條件下的軟恢復(fù)性能加上低損耗都可以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)對(duì)其他電氣參數(shù)沒(méi)有影響。

圖1：3.3kV IGBT通態(tài)壓降和關(guān)斷損耗之間的權(quán)衡曲線。增強(qiáng)型溝道（ET）和增強(qiáng)型平面（EP）結(jié)構(gòu)的比較。

ET-IGBT概念

為了降低損耗，實(shí)現(xiàn)針對(duì)溝道發(fā)射極附近靶向增強(qiáng)載流子濃度的ET-IGBT概念所遵循的主要方法，基于有n增強(qiáng)層的條紋（striped）有源溝道MOS單元的引入。為了減少有效輸入電容來(lái)提高開關(guān)可控性，重點(diǎn)是有源單元之間區(qū)域的優(yōu)化，這大大提高了開關(guān)期間的器件有效輸入電容值。通過(guò)消除有源單元之間的柵區(qū)，如圖2中橫截面所示，相比最先進(jìn)溝道IGBT設(shè)計(jì)，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)低有效柵極發(fā)射輸入電容，同時(shí)提供了最佳的反向阻斷能力。相比EP-IGBT所產(chǎn)生的額定電流，3.3 kV ET-IGBT較低的導(dǎo)通狀態(tài)損耗提供了增加額定電流20％的能力。

圖2：ET-IGBT MOS單元概念。

圖3：組合的FCE和FSA概念（a）和（b）橫截面，（c）摻雜分布.

FCE二極管概念

對(duì)于新的二極管，與現(xiàn)有設(shè)計(jì)相比，采用了場(chǎng)充電提取（FCE）概念和成熟的場(chǎng)屏蔽陽(yáng)極（FSA）設(shè)計(jì)的組合，如圖3所示。n基極的厚度對(duì)于整體損耗的產(chǎn)生起著關(guān)鍵作用，其中的低損耗二極管需要一個(gè)薄n基極設(shè)計(jì)。然而，n基極區(qū)域厚度的進(jìn)一步削減通常受限于所得到的二極管的瞬間反向恢復(fù)行為。通過(guò)在二極管的陰極側(cè)引入小p摻雜區(qū)域（如圖3），在恢復(fù)階段實(shí)現(xiàn)了一個(gè)場(chǎng)致載流子注入過(guò)程，這將生成固有的軟二極管。因此，3.3 kV額定二極管的n基極可以減薄10％，同時(shí)通過(guò)增加電阻率來(lái)保持阻斷能力，而不損害軟反向恢復(fù)。這種方法的好處是改善了20％技術(shù)曲線。此外，由于反向恢復(fù)期間沒(méi)有大過(guò)沖電壓，這些固有的軟二極管魯棒性得到了改善。

3.3 kV ET-IGBT模塊原型

3.3 kV ET-IGBT和FCE二極管芯片是用約1平方厘米的有源區(qū)域制造的，每個(gè)IGBT芯片都有75 A的定義額定值，二極管為150 A。芯片被用在標(biāo)準(zhǔn)高電壓絕緣模塊（140×70平方毫米）中，采用如圖4所示的雙配置。雙封裝中每個(gè)IGBT/二極管器件都包括4×ETIGBT和2×FCE二極管的單襯底。模塊所產(chǎn)生的電流額定值為300 A，而如今的等效EP-IGBT為250 A。

圖4：在25℃和150℃時(shí)，300A/3.3kV ET-IGBT模塊輸出IV特性。

模塊在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下進(jìn)行了電性測(cè)試。圖4示出了ET-IGBT在25℃和150℃的導(dǎo)通狀態(tài)特性，并與EP-IGBT進(jìn)行了比較。ET-IGBT模塊顯示出比EP-IGBT低非常多的靜態(tài)損耗，以及芯片安全并聯(lián)的強(qiáng)大正溫度系數(shù)。在300 A額定電流下，150℃ ET-IGBT設(shè)計(jì)有2.75 V的Vce（sat），EP-IGBT則為3.55 V。

圖5分別示出了ET-IGBT和參考EP-IGBT的標(biāo)稱關(guān)斷和導(dǎo)通開關(guān)波形。試驗(yàn)條件保持相同，以更好地評(píng)估器件的性能。在150℃下，這些器件在施加的1800 V DC鏈路電壓和300 A額定電流下進(jìn)行開關(guān)，柵極發(fā)射極電容為47 nF。雜散電感為600 nH，關(guān)斷柵極電阻為9Ω，而每個(gè)設(shè)計(jì)的導(dǎo)通柵極電阻有所不同。ET-IGBT的關(guān)斷損耗（Eoff）約在650mJ，EP-IGBT則為600mJ。但是，得到的導(dǎo)通損耗（Eon）變化較大，盡管有不同的柵極電阻，其ET-IGBT是在860 mJ，EP-IGBT為910 mJ。所有測(cè)試器件的總開關(guān)損耗大致都在同一水平，略低于1.5 J。FCE二極管反向恢復(fù)性能也可以在IGBT導(dǎo)通波形中看出。針對(duì)柵極電阻的變化繪制的導(dǎo)通參數(shù)（Icmax、Eon和di/dt）的ET-IGBT可控性示于圖6。

圖5：300A/3.3kV模塊關(guān)斷（左）和導(dǎo)通（右）波形（1800V，300A，150℃）。

圖6：改變導(dǎo)通參數(shù)（1800V，300A，150℃）柵極電阻的影響。

FCE二極管柔軟度也根據(jù)同樣的電路設(shè)置進(jìn)行了測(cè)試，但在臨界柔軟度條件下有15 A的較低電流和25℃的較低溫度，如圖7所示。FCE二極管清楚地顯示了在這些極端條件下相比標(biāo)準(zhǔn)二極管非常軟的恢復(fù)性能，出現(xiàn)了一個(gè)典型電流階躍（snap-off）以及相關(guān)高電壓過(guò)沖。

ET-IGBT關(guān)斷和短路SOA性能

在高電流和電壓條件下測(cè)試了兩個(gè)并聯(lián)芯片的關(guān)斷（RBSOA）行為。對(duì)于RBSOA，ETIGBT針對(duì)2500 V的高DC鏈路電壓進(jìn)行了測(cè)試，在25℃和125℃下，最大達(dá)到的開關(guān)電流是額定電流的約5倍和4倍，分別如圖8所示。在25℃下，器件進(jìn)入并承受稱為動(dòng)態(tài)雪崩和開關(guān)自鉗位模式（SSCM）的應(yīng)力條件。在125℃溫度下，由于較高水平的載流子濃度，器件如期經(jīng)歷了更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)雪崩，這導(dǎo)致了一個(gè)較低但仍然足以關(guān)斷的能力。

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