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新IGBT技术提高应用性能
日期：2024-04-29 04:11
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摘要：
在日益增长的变频器市场，许多厂商提供性能和尺寸各异的变换器类型。这正是以低损耗和高开关频率而著称的新IGBT技术施展的舞台。在62毫米(当前模块的标准尺寸)模块中使用新IGBT技术使用户可以因不必改变其机械设计概念而获益。
基于平台技术的标准62毫米SEMITRANS®模块，由于针对IGBT和二极管采用了不同的半导体技术，因此适合于多种应用场合。采用标准尺寸模块外壳这一事实意味着用户有更多可供选择的供应商。新1200V系列模块为我们展示了外壳和半导体之间的匹配是多么的**，该系列产品基于英飞凌的IGBT4技术和赛米控稳健可靠的新CAL4二极管。
1. 半导体开关中的IGBT和二极管
在电力电子里半导体器件IGBT和二极管仅作为开关。
“理想的开关”必须满足以下条件：
通态压降Vd = 0，与当前导通电流无关
反向电流Ir = 0，直到*大允许反向电压
开关损耗Psw = 0，与当前被切换的电流和直流母线电压无关
热阻Rth无足轻重，因为没有损耗产生
然而，在实际的开关中，存在大量的正向和开关损耗。因而设计中的热阻对模块性能来说是至关重要的。本文讨论IGBT²、IGBT³以及SEMITRANS®模块采用的新IGBT4 半导体技术之间的区别，并展示在某些情况下新IGBT4技术所带来的性能提升。
2. 芯片技术的进展
IGBT4基本上是基于已知的IGBT³沟槽栅结构并结合经优化的包含n—衬底、n-场截止层和后端发射极的纵向结构。与第三代IGBT相比，这将使总损耗更低，开关行为更为轻柔，同时芯片的面积也更小。此外，p/n结的*高结温Tjmax从150°C升高至175°C。这将在静态和动态过载情况下建立一个新的**裕度。IGBT4系列产品的特点是有一个为高、中、低功率应用而优化的纵向结构；开关性能和损耗适用于给定的功率等级。这里所展示的结果集中在中等功率范围(50A-600A)的应用，采用的是低电感模块，开关速率在4-12kHz之间(这相当于IGBT4L)。
当在更高电流密度情况下使用新一代IGBT，具有高电流密度的续流二极管也是需要的，尤其是对那些具有*大芯片封装密度的模块。基于这个原因，在现有CAL(可控轴向长寿命)二极管技术的基础上开发了新的CAL4续流二极管，其特点在于对任何电流密度的软开关性能，耐用度(高di/dt)以及低反向恢复峰值电流和关断损耗。CAL4 FWD的基本结构只是背面带有n/n+结构的薄n---衬底(图1b)。为了减少产生的损耗，n缓冲层被优化，采用较薄n+晶圆，活动表面积增大(即小边结构)，纵向载流子寿命被优化。因此，新的，经过改进的CAL4二极管是很出色，除了电流密度提高了30%，其正向电压更低及切换损耗也与上一代相类似(CAL3，Tjop =常数)。为增加p/n结的*高结温至175°C，使用了新的边缘端钝化. 受益于上述的优化工作，CAL4 FWD是第四代IGBT应用的**匹配
基于平台技术的标准62毫米SEMITRANS®模块，由于针对IGBT和二极管采用了不同的半导体技术，因此适合于多种应用场合。采用标准尺寸模块外壳这一事实意味着用户有更多可供选择的供应商。新1200V系列模块为我们展示了外壳和半导体之间的匹配是多么的**，该系列产品基于英飞凌的IGBT4技术和赛米控稳健可靠的新CAL4二极管。
1. 半导体开关中的IGBT和二极管
在电力电子里半导体器件IGBT和二极管仅作为开关。
“理想的开关”必须满足以下条件：
通态压降Vd = 0，与当前导通电流无关
反向电流Ir = 0，直到*大允许反向电压
开关损耗Psw = 0，与当前被切换的电流和直流母线电压无关
热阻Rth无足轻重，因为没有损耗产生
然而，在实际的开关中，存在大量的正向和开关损耗。因而设计中的热阻对模块性能来说是至关重要的。本文讨论IGBT²、IGBT³以及SEMITRANS®模块采用的新IGBT4 半导体技术之间的区别，并展示在某些情况下新IGBT4技术所带来的性能提升。
2. 芯片技术的进展
IGBT4基本上是基于已知的IGBT³沟槽栅结构并结合经优化的包含n—衬底、n-场截止层和后端发射极的纵向结构。与第三代IGBT相比，这将使总损耗更低，开关行为更为轻柔，同时芯片的面积也更小。此外，p/n结的*高结温Tjmax从150°C升高至175°C。这将在静态和动态过载情况下建立一个新的**裕度。IGBT4系列产品的特点是有一个为高、中、低功率应用而优化的纵向结构；开关性能和损耗适用于给定的功率等级。这里所展示的结果集中在中等功率范围(50A-600A)的应用，采用的是低电感模块，开关速率在4-12kHz之间(这相当于IGBT4L)。
当在更高电流密度情况下使用新一代IGBT，具有高电流密度的续流二极管也是需要的，尤其是对那些具有*大芯片封装密度的模块。基于这个原因，在现有CAL(可控轴向长寿命)二极管技术的基础上开发了新的CAL4续流二极管，其特点在于对任何电流密度的软开关性能，耐用度(高di/dt)以及低反向恢复峰值电流和关断损耗。CAL4 FWD的基本结构只是背面带有n/n+结构的薄n---衬底(图1b)。为了减少产生的损耗，n缓冲层被优化，采用较薄n+晶圆，活动表面积增大(即小边结构)，纵向载流子寿命被优化。因此，新的，经过改进的CAL4二极管是很出色，除了电流密度提高了30%，其正向电压更低及切换损耗也与上一代相类似(CAL3，Tjop =常数)。为增加p/n结的*高结温至175°C，使用了新的边缘端钝化. 受益于上述的优化工作，CAL4 FWD是第四代IGBT应用的**匹配