英飞凌各代IGBT模块技术详解.doc

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 dB>100μm，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 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，需进行离子双注入，又要确保饱和压降的正温度系数，工 艺难度较大。

图 1.3 沟槽栅＋FS IGBT 结构图 
EUPEC 第三代 IGBT 有两种系列。后缀为“KE3”的是低频系列，其最佳开关频率为 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，北京 晶川公司在中国已完成用“KE3”系列代替“DLC”系列的工作。在“KE3”的基础上，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 后缀“KT3”为标志。EUPEC“KT3”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 8KHz－15KHz 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，开关频率可达到 20KHz，饱和压降为 1.50V，最高工作结温可高达 175℃。 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 200μm ， IGBT3 后 缀 为 “KE3”的，厚度为 140μm 左右；后缀为“KT3”芯片厚度进一步减薄到 120μm 左右；600V IGBT3 其芯片厚度仅为 70μm 左右，这样薄的晶片，加工工艺难度较大。Infineon 在超薄晶片加 工技术方面在全球处于领先地位。 总之，Infineon／EUPEC IGBT3 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。Infineon／EUPEC 称之为第三代，正如在其型号中的电流标称一样，总是按 TC＝ 80℃来标称，让产品来说话，让用户来评判。

图 1.4 EUPEC 三代 IGBT 芯片技术对比

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 ／Infineon IGBT 芯片，从型号中的后缀来区分，用户 应根据不同的开关频率范围来选用相应的 IGBT 模块。 EUPEC
1、EUPEC 600V 系列 IGBT 模块芯片特征参数

图1.6 EUPEC 600V 系列 IGBT 模块芯片特征参数
注：① 600V“DLC”和“KE3”是高频器件，可工作在 20KHz；
② “KE3”最高结温可达 175℃。 EUPEC
2、EUPEC 1200V IGBT 模块芯片特征参数：

图 1.7 EUPEC 1200VIGBT 模块芯片特征参数
注：①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；
②晶川公司已完成在变频器等开关频率 fK≤10KHz 的应用领域，用“KE3”代替“DLC”系列；
③对于 fK≤15KHz 的应用场合，我们将逐步推广 EUPEC “KT3”系列, 来取代”KE3“系列；
④后缀为“KF4”或“KL4C”是指 EUPEC IHM 的芯片分类标志。
3、EUPEC 1700V IGBT 模块芯片特征：

 图 1.8 EUPEC 1700V IGBT 模块芯片特征
注：①随着器件耐压的增高，IGBT 的开关频率相应下降，推荐表中仅仅是最佳使用频率 范围，若选择额定电流大一些的器件，也可在较高频率中使用；
②1700V 系列，根据电流不同，可提供“DN2”； “DLC”／“KF6CB2”；“KE3”等三种芯片的 IGBT 模块；
③“KF4”或“KF6CB2”是指 EUPEC 大功率（IHM）模块后缀。 EUPEC
4、EUPEC 3300V IGBT 模块芯片特征：

图 1.9 EUPEC 3300V 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。