英飞凌各代IGBT模块技术详解.docxVIP

.. 英飞凌各代IGBT模块技术详解 IGBT 是绝缘门极双极型晶体管（Isolated Gate Bipolar Transistor）的英文缩写。它是八十 年代末，九十年代初迅速发展起来的新型复合器件。由于它将 MOSFET 和 GTR 的优点集于一 身，既有输入阻抗高，速度快 ，热稳定性好，电压驱动（MOSFET 的优点，克服 GTR 缺 点）；又具有通态压降低，可以向高电压、大电流方向发展（GTR 的优点，克服 MOSFET 的 缺点）等综合优点，因此 IGBT 发展很快，在开关频率大于 1KHz，功率大于 5KW 的应用场合 具有优势。随着以 MOSFET、IGBT 为代表的电压控制型器件的出现，电力电子技术便从低频 迅速迈入了高频电力电子阶段，并使电力电子技术发展得更加丰富，同时为高效节能、省材 、新能源、自动化及智能化提供了新的机遇。英飞凌／EUPEC IGBT 芯片发展经历了三代，下面将具体介绍。一、IGBT1－平面栅穿通（PT）型 IGBT （1988 1995）?西门子第一代 IGBT 芯片也是采用平面栅、PT 型 IGBT 工艺，这是最初的 IGBT 概念原型 产品 。 生 产 时 间 是 1990 年－ 1995 年。 西 门 子 第 一 代 IGBT 以后 缀 为 “DN1” 来区 分 。 如 BSM150GB120DN1。 ?图 1.1 PT-IGBT 结构图 PT 型 IGBT 是在厚度约为 300－500μm 的硅衬底上外延生长有源层，在外延层上制作 IGBT 元胞。PT-IGBT 具有类 GTR 特性，在向 1200V 以上高压方向发展时，遇到了高阻、厚外延难 度大、成本高、可靠性较低的障碍。因此，PT-IGBT 适合生产低压器件，600V 系列 IGBT 有优 势。二、IGBT2－第二代平面栅 NPT-IGBT西门子公司经过了潜心研究，于 1989 年在 IEEE 功率电子专家会议（PESC）上率先提出了 NPT－IGBT 概念。由于随着 IGBT 耐压的提高，如电压 VCE≥1200V，要求 IGBT 承受耐压的 基区厚度 dB100μm，在硅衬底上外延生长高阻厚外延的做法，不仅成本高，而且外延层的掺 杂浓度和外延层的均匀性都难以保证。1995 年，西门子率先不用外延工艺，采用区熔单晶硅 批量生产 NPT－IGBT 产品。西门子的 NPT-IGBT 在全电流工作区范围内具有饱和压降正温度 系数，具有类 MOSFET 的输出特性。 图 1.2 NPT-IGBT 结构图 西门子／EUPEC IGBT2 最典型的代表是后缀为“DN2”系列。如 BSM200GB120DN2。 “DN2”系列最佳适用频率为 15KHz－20KHz，饱和压降 VCE(sat)=2.5V。“DN2”系列几乎适 用于所有的应用领域。西门子在“DN2”系列的基础上通过优化工艺，开发出“DLC”系列。 “ DLC ” 系 列 是 低 饱 和 压 降 ， （ VCE(sat)=2.1V ） ， 最 佳 开 关 频 率 范 围 为 1KHz － 8KHz 。 “DLC”系列是适用于变频器等频率较低的应用场合。后来 Infineon／EUPEC 又推出短拖尾 电流、高频“KS4”系列。“KS4”系列是在“DN2”的基础上，开关频率得到进一步提高， 最佳使用开关频率为 15KHz－30KHz。最适合于逆变焊机，UPS，通信电源，开关电源，感应 加热等开关频率比较高（fK≥20KHz）的应用场合。在这些应用领域，将逐步取代“DN2”系 列。EUPEC 用“KS4”芯片开发出 H—桥（四单元）IGBT 模块，其特征是内部封装电感低， 成本低，可直接焊在 PCB 版上（注：这种结构在变频器应用中早已成熟，并大量使用）。总 之，EUPEC IGBT 模块中“DN2”、“DLC”、“KS4”采用 NPT 工艺，平面栅结构，是第二 代 NPT-IGBT。三、IGBT3 IGBT3－沟槽栅(Trench Gate) 在平面栅工艺中，电流流向与表面平行时，电流必须通过栅极下面的 p 阱区围起来的一个 结型场效应管（JFET），它成为电流通道的一个串连电阻，在沟槽栅结构中，这个栅下面的 JFET 通过干法刻蚀工艺消除了，因此形成了垂直于硅片表面的反型沟道。这样 IGBT 通态压降 中剔除了 JFET 这部分串联电阻的贡献，通态压降可大大降低。Infineon／EUPEC 1200V IGBT3 饱和压降 VCE(sat)＝1.7V。电场终止层（Field Stop）技术是吸收了 PT、NPT 两类器件的优点。 在 FS 层中其掺杂浓度比 PT 结构中的 n＋缓冲层掺杂浓度低，但比基区 n—层浓度高，因此基区 可以明显减薄（可以减薄