反向导通IGBT（RC-IGBT）可在不增加模块或系统尺寸的情况下实现IGBT额定功率的放大
作者：David Marrero，现场应用工程师和James Usack，部门总经理，美国富士电机
 
从电动汽车车载充电器（OBC）和快速直流充电器到太阳能微型逆变器和更大的工业激光、焊接和自动化用例，有一系列广泛的应用依赖于现代电力转换。这些应用之间的一个显著共同点是不断推进芯片设计、制造和封装技术，以提高功率密度、热管理和效率，同时将成本降至最低。
传统的绝缘栅双极晶体管（IGBT）在电力电子应用中得到了广泛的应用，但想要提高功率谱的用户通常需要并联功率模块或选择更大、更笨重、额定电压和电流更高的模块。这两种选择通常会导致尺寸更大的解决方案，同时具有相同或更大的散热和可靠性问题。
 
了解传统IGBT的局限性如何影响设备设计
IGBT长期以来一直是市场上最流行的功率半导体开关器件之一。这些器件在成本效益和功率密度之间要取得平衡。该行业在小型化、成本降低和性能方面稳步提高了IGBT技术。在改进的迭代过程中，有几个突出的设计权衡和瓶颈可能会限制IGBT技术。传统IGBT模块的进一步小型化会增加功率密度，这可能会导致可靠性问题。IGBT模块的输出电流增加导致IGBT和续流二极管（FWD）的工作温度升高，也可能导致模块可靠性降低。
IGBT还经常面临I-V特性“快速恢复”的共同问题。在这种现象中，IGBT在高电压下被触发，然后在较低电压下回落到导通状态。这个过程是从一个从集电极（阳极）流向发射极（阴极）的小电流开始的。随着电流的增加，缓冲区（场停止）和阳极之间的电压降也会增加。此时，阳极将开始向漂移区注入载流子（空穴），因为在该结中有足够的电压降。当漂移区中的载流子浓度与掺杂浓度相当时，将发生反冲。这被称为导电率调制，其中漂移区电阻显著下降。IGBT快速回跳可能会导致几个问题，例如：

• 防止整个器件开启
• 导致高正向压降，这也可能增加传导能量损失
• 产生不均匀的电流分布，这会降低器件的导电能力和可靠性

 

图1：第七代X系列RC-IGBT技术原理图及等效电路
 
用RC-IGBT克服传统IGBT的挑战
随着器件设计者寻求更大的功率、更高的性能和更紧凑的封装，解决方案是超越传统的IGBT。这就是反向传导IGBT（RC-IGBT）技术的起源。RC-IGBT将IGBT和FWD集成到单个芯片中，以减少芯片数量和总芯片面积，见图1。随着这种小型化，RC-IGBT还表现出改进的性能。
RC-IGBT芯片技术实现了更薄的漂移层、沟槽栅极结构的小型化和优化的场阻挡层，见图2。这大大降低了集电极-发射极饱和电压（V_CE(sat)）。产品被形成为薄晶片，以改善与关断损耗和V_CE(sat)的权衡关系。典型地，利用薄晶片技术将额外考虑关断时的电压振荡和击穿电压的降低。然而，通过优化半导体芯片背面上的场阻挡层和耐压结构，这一点也得到了改善。总的来说，这些改进最终减少了逆变器功率损耗，提高了最终设计的效率。
 

图2：旧（第6代）IGBT和新（第7代）X系列RG IGBT的IGBT截面比较
 
利用先进的封装技术提供更高的功率密度
仅使用RC-IGBT技术不足以为设计者提供所需的功率密度。优化的芯片和封装技术的结合允许扩大额定电流，同时使IGBT模块小型化。
例如，富士电机的1200V第7代X系列模块使用了新材料，以及优化的键合线直径，以实现更坚固的结构以及新的硅胶解决方案。所有这些组合使最大连续工作温度（T_vjop）达到175oC，从而在不增加封装尺寸的情况下获得更高的输出功率。例如，用于X系列的1200 V PIM（功率集成模块）封装的额定电流从上一代的50A增加到75A，这产生了50%的额定电流扩展。
X系列RG IGBT的导通状态压降（V_CE）降低了0.25 V。因此，器件导通期间的功耗降低，最终设计的功率转换效率提高。然而，这并不伴随着更多关断损耗的共同权衡，见图3。事实上，X系列的关断能量通过显著降低尾电流而下降了10%。通过采用较薄的漂移层来实现尾电流的减少。即使芯片尺寸已经减小，这种芯片优化也直接实现了功率损耗的减少。
 

图3：在收集发射极电压（V_CE(sat)））上关闭能量（Eoff）。第七代RC-IGBT在E_off和V_CE(sat)方面都有改进

根除传统IGBT模块的可靠性问题
通常，IGBT模块由用于绝缘的陶瓷基板组成，该陶瓷基板焊接到通常由铜构成的基板上，见图4。高散热陶瓷基板对芯片和散热器之间的热阻影响最大。氧化铝（Al₂O₃）和氮化铝（AlN）陶瓷由于其高导热性和成本效益而经常被使用。然而，AlN衬底通常较厚，因此相当刚性。这将导致基板下焊料层的可靠性问题——热应力会导致该界面处的裂纹和变形。
 

图4：IGBT模块结构

继续以富士电机的第七代X系列模块为例，该RC-IGBT解决方案采用了AlN陶瓷层的减薄，同时通过最佳陶瓷烧结条件保持良好的耐热性和材料强度。其结果是高散热基板不易因热应力而发生故障，从而提高了可靠性，同时减小了模块尺寸。
 
IGBT模块的另一个潜在故障机制是芯片下的焊点和芯片表面的连接线。在该接点，两个界面之间的机械应变在高温下可能很严重。表面之间的不同热膨胀系数（CTE）直接导致接点处的振荡机械应力。这可能导致失效。为了解决RC-IGBT（第7代X系列模块示例）中的这一问题，利用优化的接合线直径和长度，确保在175℃的连续工作温度下具有足够的功率循环耐受能力。
通过优化芯片结构，RC-IGBT也解决了快速回跳现象。电子被注入FWD区域的阴极层，这抑制了来自IGBT集电极层的空穴注入，并阻碍了电导率调制，即快速回缩现象的突出原因，见图5。通过减轻快照的所有负面影响大大提高了器件可靠性。
 

图5：RC-IGBT结构截面图
 
更强大，提高性能，封装更紧凑
在竞争日益激烈的设计市场中，必须能够毫不妥协地达到设备性能目标变得更加关键。RC-IGBT可以帮助您做到这一点。
芯片级的增强包括更薄的漂移层、沟槽栅极结构的小型化和优化的场阻挡层。在封装层面，AlN衬底的薄化、硅凝胶的改进以及接合线直径和长度的优化都允许在高连续操作温度下实现器件可靠性。所有这些增强的组合实现了更高的额定电流和IGBT模块的小型化。这最终使最终设计（例如逆变器）更加高效、功率密集和可靠，同时保持其成本效益。
 
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