英飞凌各代IGBT模块技术详解

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1、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，九十年代初迅速开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，克制 GTR缺点；又具有通态压降低，可以向高电压、大电流方向开展 GTR的优点，克制 MOSFET的缺点等综合优点，因此 IGBT开展很快，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

2、子阶段，并使电力电子技术开展得更加丰富， 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/EUPECIGBT芯片开展经历了三代，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构造图PT型IGBT是在厚度约为300 500科m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1200

3、V以上高压方向开展时，遇到了高阻、厚外 延难度大、本钱高、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 dB100科m,在 硅衬底上外延生长高阻厚外延的做法，不仅本钱高，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

4、-IGBT在全电流工作区 X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构造图西门子/ EUPEC IGBT2最典型的代表是后缀为“DN2”系列。女BSM200GB120DN2。“DN2”系列最正确适用频率为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系列的根底上通过优化工艺，开发出“DLC”系列。 DLC ”系列是低饱和压降，VCE(sat)=2.1V，最正确开关频率 X围为1KHz 8KHz。 D DLC系列是适用于变频器等频率较低的应用场合。后来In巾neon /EUP

5、EC又推出短拖尾电流、高频“KS4”系列。 KS4”系列是在“DN2”的根底上，开关频率得到进一步提高，最正确使用开关频率为15KHz30KHz。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拟高fK20KHz的应用场合。在这些应用领域，将逐步取代“ DN2系歹IEUPEC用“ KS4”芯片开发出H一桥四单元IGBT模块，其特征是内部封装电感低，本钱低，可直接焊在PCB版上注：这种构造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，平面栅构造，是第二代NPT-IGBT 。三、IGBT3IGBT3 沟槽栅(T

6、rench Gate)在平面栅工艺中，电流流向与外表平行时，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，在沟槽栅构造中，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外表的反型沟道。这样IGBT通态压降中剔除了 JFET这局部串联电阻的奉献，通态压降可大大降低。In巾neon/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构造中的n + 缓冲层掺杂浓度低，但比基区n一层浓度高，因此基区可以明显减薄

7、可以减薄 1/3左右，还能保证饱和压降具有正温度系数。由于仍然是在区熔单晶硅中没有外延制作FS层，需进展离子双注入，又要确保饱和压降的正温度系数，工艺难度较大。11-刀hFS层n| I : C 图1.3沟槽栅+ FS IGBT构造图EUPEC第三代IGBT有两种系列。后缀为“ KE3”的是低频系列，其最正确开关频率为 1K 8KHz。1200V IGBT饱和压降VCE(sat)= 1.7V,最适合于变频器应用。在变频器应用 中，晶川公司在中国已完成用“ KE3系列代替“DLC系列的工作。在“ KE3的根底上，采用浅沟槽和优化FS”层离子注入浓度、厚度以及集电区掺杂浓度等，又开发出高频系列，以后

8、缀“ KT3”为标志。EUPECKT3系列在饱和压降不增加的情况下，开关频率可提高到15KHz,最适合于8KHz15KHz的应用场合。在开关频率 fK 8KHz应用 中，“ KT3”比 KE3”开关损耗降低20%左右。Infineon / EUPEC 600V系列IGBT3后缀 为“ KE3”,是高频IGBT模块，开关频率可到达 20KHz,饱和压降为1.50V,最高工作结 温可高达175C。Infineon/EUPEC第三代IGBT,采用了沟槽栅及电场终止层FS两种新技术，带来了 IGBT芯片厚度大大减薄。传统 1200V NPT- IGBT芯片厚度约为200 dm , IGBT3后缀为“

9、KE3”的，厚度为140dm左右；后缀为“KT3”芯片厚度进一步减薄到120科m左右；600V IGBT3其芯片厚度仅为 70 dm左右，这样薄的晶片，加工工艺难度较 大。Infineon在超薄晶片加工技术方面在全处于领先地位。总之，In巾neon/EUPECIGBT3采用了当今IGBT的最新技术沟槽栅+电场终止层，是目前最优异的IGBT产品，有些电力半导体厂家称这些技术为第五代，甚至称之为第八代IGBT技术。In巾neon/EUPEC称之为第三代，正如在其型号中的电流标称一样，总是按 品来说话，让用户来评判。TC= 80c来标称，让产Non Punch TnrougnFrencn-Feid-

10、Stop门 twee- isjcsra:?：unch ThroughZ1BO一Enmttr 8快.ft basis isutsteIGBT onHighly P-doped Substrate VaferOplimizd Rear Surface Faster Switch-aff-L wer Switcnmg Loss-improved Rugg-ednessImproved Injctdn of Electrons bv Trench Gale & Reduction of Chip ThtcKness wnn F eidstop Technology Lower Conduction L

11、oss Lower Switching Loss* Robust like NPTIGBT Chip Technol图1.4 EUPEC三代IGBT芯片技术比照芦iFTririn 一出！eupecAdvantages of NPT/FS Chips* Easy Paralleling of Chips & ModulesPositive temperalure coefficient for Vce_sal hence no thermal run-away* Fast SwitchingLow Tail Current (60% less tail charge)Low Swrtch-off

12、 Loss* High RuggednessLimiting shortsircurt current by chip itselfNPT: (68) lc_nom FS: 4 - lc_nom ( Vge = 15VTime of withstanding: 10 ps. All tuptc ICBT modules us* lnfmon IGBT chips, which art NPT or Trench FS chips.尸 IGBT ctilps used by e ipix module have very dosed distribution of /ce_sat. 巳u匚巳工

13、aoes not perform chip selection for parallel ng of chi-ps. Moreover chips used in one module are 白口 from the same production lot. No additional electronics bu it in the chips fortimiting short-circuit current图1.5 NPT/FS IGBT 芯片主要优点四、EUPEC IGBT模块中IGBT及续流二极管芯片特征参数EUPEC IGBT模块全部采用西门子/ In巾neon IGBT芯片，从型

14、号中的后缀来区分，用户应根据不同的开关频率 X围来选用相应的IGBT模块。EUPEC1、EUPEC 600V系列IGBT模块芯片特征参数Chip Technolojes for 600V ModuleseupecLtfW LOW * GfCLC叼ZT+r事事叫野KE3Tchnaloyy#Frmna mw fq wfiIGRT?BrC1产1WS七鼻Ai rwDiadnODrEm$wn9 .4E n4wuwriO时0二5 -1.1IWSwn4hing - frfrqutnev1 4 *-N kitef *2 ithlltaTv m苴=I7F tClTv Bp man = 1.h i QC图 1.6

15、 EUPEC 600V 系列 IGBT 模块芯片特征参数注：600V “DLC”和 KE3”是高频器件，可工作在 20KHz ; KE3”最高结温可达175 Co EUPEC2、EUPEC 1200V IGBT 模块芯片特征参数:Chip Technologies for 1200V ModuleseupecT-ench f$ 3GenKE3Trerlthi FSGniiKT3生tdndmd 2Geiii.DH2J KF4Low LussDLCJKL4CShort TdilXSn.KS4TechnolcivMPTMUrfcf 叫 I|#KV才有2TkMyc：NiPTBMKTiTg -Ailou

16、wer:TrwtehT. ubnng -MI%re*u1 7126,CMu3.(2J1的DiadeLa IHrnGcr- ax. (24LOmCvn二 mO3n Cmwcn raai. ? -SAL f二nDF F 1Co a.sEfl-Ca15kHEaPU -15 kHz： Vcoj unt图1.7EUPEC 1200VIGBT 模块芯片特征参数注：晶川公司将逐步推广“KS4芯片以替代“DN2”芯片，用于逆变电焊机UPS,通信电源，开关电源等开关频率大于15KHz的应用领域；晶川公司已完成在变频器等开关频率fKW 10KHz的应用领域，用“ KE3”代替“ DLC”系列；对水w 15KHz的

17、应用场合，我们将逐步推广 EUPEC KT3”系列“KL4C”是指 EUPEC IHM 的芯片分类标志。Chip Technologies for 1 ZOOV ModuJe，来取代KE3 ”系列；后缀为“KF4”或3、EUPEC 1700V IGBT 模块芯片特征:eupec片tdinEr。T05 G-enDN2/KF4Low Log-c 210 Gcii.DLC / KF6C_B2F5Tranzri2P0GoixE3KR- 用Egi tvEhiUkp1fBM苦丈 ：HrntcniGor29 C3 3r 74 fll.lalift 41*LEE% M242.11 V2J-11.A,Swteh

18、i ng . mtqueiiG 岁2 kKe TlftE1 KTIj -2hHt2m T*el图 1.8 EUPEC 1700VIGBT模块芯片特征注：随着器件耐压的增高，IGBT的开关频率相应下降，推荐表中仅仅是最正确使用频率X围，假设选择额定电流大一些的器件，也可在较高频率中使用；1700V系列，根据电流不同，可提供“ DN2” ; DLC” / KF6CB2 ; KE3”等三种芯片的GBT模 块；“ KF4”或 KF6CB2是fEUPEC大功率IHM模块后缀。 EUPEC 4、EUPEC 3300V IGBT 模块芯片特征:piMr “nil*!Chip Technologies for

19、 3300V ModulesEUpSCStniKard * G*n, KF2Low IL caw 2M -Geti.KL2TtchnologyWPTp后俨FM!量m! ： ： v- : 41 n i r - - .ri严中 DC luhllhIQGT血（S6LC1 411125li 3dlPitskrl CSnpDicdeVf M20 C 上 fli125 CzazaSvitGhiEpg， mqutnoy5OD Ma - kMr500- 4z -1 k 比JCwbli* 100 FIT 建=1网丁日萨 suiQBanWR IQOFTAf=2ZIW图 1.9 EUPEC3300V IGBT模块芯片特征注：除FF200R33KF2c外，所有EUPEC IHV ,电压大于2500V耐压的IGBT模块，均受欧 洲出口限制，需办理最终用途证明，不能用于军事目的。