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FUJI富士第7代X系列IGBT模塊應用手冊

2018-10-29 17:21:32 Westpac Electronics
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FUJI富士第7代X系列IGBT模塊應用手冊



第1章 X系列的基本概念和特征 1-1
iii

1. X系列的基本概念 1-2
2. X系列芯片特征 1-3
3. X系列封裝技術特征 1-7
4. 額定電流等級提升和模塊的小型化 1-11
5. 模塊型號的說明 1-13
6. 術語和符號 1-14


2章 使用注意事項 2-1

1. 最大結溫 Tvj, Tvjop 2-2
2. 短路(過流)保護 2-2
3. 過壓保護和安全工作區 2-3
4. 并聯連接 2-9
5. 安裝指導 2-10


本章介紹第 7 X 系列 IGBT 模塊的基本概念和特征。
近年來,為了防止化石燃料枯竭和全球變暖, 人們正在追求提高能源利用率和減少二氧化碳排放方面作
出了努力。 因此, 包括了馬達驅動等工業應用,開關電源等民生應用,以及電動汽車和鐵路、太陽能發
電和風力發電等可再生能源應用等,使用功率半導體器件的高效率電力變換裝置其適用領域和市場正在
急速擴大。 在功率半導體器件中,
IGBT(絕緣柵雙極晶體管)模塊具有高速開關、 大功率高效率和容易
操控的特征,從而使它在其應用領域中不斷擴大。
IGBT 模塊在投放市場以來,憑借多項技術創新實現了更低的損耗以及結構的小型化。這些創新在電力
變換裝置的高效率、小型化、高性價比作出了貢獻。然而,
IGBT 模塊尺寸的小型化會導致 IGBT 模塊在
高功率密度時, 結溫升高和可靠性降低。為了進一步實現模塊的小型化和高效率, 除了提高芯片性能,
創新的封裝技術(散熱性能和可靠性提高)也變得不可欠缺。 為了滿足市場需求, 富士電機開發了新型
芯片技術和封裝技術的第
7 IGBT 模塊「X 系列」。
? 更低的變頻器損耗(芯片技術)
7 X 系列 IGBT 通過極薄的晶圓制造技術和細小的溝槽門極結構, 使得它在損耗方面的表現比我們
6 V 系列 IGBT 有了突飛猛進的進步。
? 連續運行溫度 Tvjop=175℃實現了更高電流輸出(封裝技術)
通過使用新開發的封裝技術(高散熱絕緣基板
/高耐熱硅凝膠/高強度焊錫)和模塊構造的優化(綁定線
直徑
/長度),提高了 X 系列在高溫工作時的穩定性和耐久性, 從而將最大連續可操作結溫 Tvjop 從原來的
150℃提高到 175℃。這實現了在保持模塊原有尺寸的條件下增加了輸出能力。
? 額定電流的提升和 IGBT 模塊的小型化
通過以上的性能提升, 在保持模塊尺寸不變的同時擴大了
X 系列模塊的額定電流。
例)
1200V EP2 封裝(最大額定電流:第 6 代: 50A→ 第 7 代: 75A),這意味著 X 系列的技術使得
額定電流擴大了
50%
從另一個角度來說, 最大額定電流的擴大可以讓封裝尺寸減小,原來
75A/1200V 只能使用更大的 EP3
封裝(詳見第四章)。 新一代的 IGBT 可以為電力變換裝置小型化以及低成本化作出貢獻

如圖 1-2 所示是第 6 V 系列和第 7 X 系列的芯片剖面圖。第 7 代的 IGBT 芯片結構繼承了第 6 V
系列技術開發的場截止(Field Stop) 結構和溝槽門極結構。第 7 X 系列與第 6 V 系列相比,通過
用薄晶片減少漂移層的厚度。通過采用這樣的薄漂移層,可以在第
7 X 系列中更進一步降低 IGBT
片的導通壓降。 一般來說,漂移層變薄時, 可能會出現關斷時的電壓振蕩及耐壓降低,但通過進一步優
化場截止層,可以抑制電壓振蕩的同時確保足夠的擊穿電壓以達成芯片的進一步減薄。另外,與第
6 V
系列相比,通過使芯片表面的溝槽門極結構的細小化和最優化,可以抑制在導通時 P 通道抽出的空穴,
通過增加表面的載流子濃度來提高
IE 效果(Injection Enhanced),大幅度改善了導通壓降和關斷損耗之
間的平衡

X 系列芯片的主要特征
1. 更薄的漂移層
- 降低導通壓降
- 降低開關損耗
2. 細小化溝槽門極結構
- 降低導通壓降
- 降低開關損耗
3. 優化場截止層
- 抑制電壓振蕩
- 降低高溫漏電流

.1 導通壓降和關斷損耗之間平衡關系的改善
1-3 顯示了第 7 X 系列和第 6 V 系列 IGBT 芯片輸出特性的比較。 如圖所示,在額定電流條件
下,第
7 X 系列的導通壓降(集電極-發射極電壓)VCE(sat)降低了約 0.25V。 通過降低導通壓降,可以
減小電流流過
IGBT 時產生的導通損耗(電流×導通壓降), 從而可以進一步提高電力變換裝置的效率

2.2 漏電流的改善
IGBT 在集電極和發射極之間施加反向偏壓時的漏電流具有隨著溫度的升高而增加的特性。由于在這種
高溫下的漏電流發生的損耗, 使結溫進一步上升,并且隨著溫度的升高, 進一步增加了漏電流,在這種
情況下可能會導致熱失控損壞。 通過優化了場截止層, 和第
6 V 系列相比, 第 7 X 系列 IGBT 在高
溫下的漏電流降低了
28%,同時也降低了熱失控的風險,從而保證了能夠連續工作在 175℃的結溫。
2.3 FWD 反向恢復特性的改善
7 X 系列 IGBT 模塊,不僅改善了 IGBT 芯片的特性,還改善了并聯在 IGBT 上的二極管特性。
FWDFree Wheeling Diode
X 系列的 FWD 器件通過減小漂移層的厚度來降低正向電壓(VF)。 然而,通常在二極管的漂移層變薄
時, 反向恢復時耗盡層容易到達底面, 從而在反向恢復時會發生電壓振蕩的問題。在
X 系列的 FWD
件中,通過優化芯片底面結構,可以抑制反向恢復運行期間耗盡層的延伸, 防止耗盡層到達底面, 從而
抑制反向恢復時的電壓振蕩和浪涌電壓。圖
1-6 表示了第 7 X 系列和第 6 V 系列的 FWD 的比較特
性。圖
1-6a)所示,反向恢復峰值電流和拖尾電流都減小了,實現了更加平緩的反向恢復波形。 而圖
1-6b) 則顯示了反向恢復損耗和正向電壓之間平衡關系的改善,與第 6 V 系列相比, 相同的 VF 條件
下第
7 X 系列反向恢復損耗降低了約 30%
一般而言,當模塊開關時發生的電磁干擾(
EMI: Electro Magnetic Interference)取決于電壓斜率 dv/dt
將反向恢復波形變軟的目的是通過降低 dv/dt 來改善 EMI

7 X 系列保證連續運行期間的結溫 Tvjop=175℃。 為了實現這點, 提高 IGBT 以及 FWD 芯片的效
率和尺寸是必不可少的。 但是另一方面, 由于芯片小型化而增加的功率密度導致芯片溫度的增加, 因此
可能降低器件的可靠性。 在第
7 IGBT 模塊中,通過優化模塊結構以及新開發的高耐熱和高可靠性封
裝解決了這個問題。
? 新材料的開發
- 高散熱陶瓷絕緣基板 ? 散熱性、 可靠性提升
- 高耐熱硅凝膠 ? 175℃時保證長期的絕緣性
- 高強度焊錫 ? ΔTvj 功率循環耐量的提升
? 模塊結構的優化
- 綁定線直徑/長度優化 ? ΔTvj 功率循環耐量提升
3.1 高散熱陶瓷絕緣基板開發
為了改善 IGBT 以及 FWD 芯片的散熱性能, 第 7 IGBT 模塊減小了絕緣基板的熱阻, 因為陶瓷絕緣
基板對芯片與散熱片之間的熱阻影響最大。 低成本
Al2O3(氧化鋁)、具有高導熱性和低熱阻的 AlN(氮
化鋁)等被廣泛用作絕緣基板的材料。 為了對應近年來的高輸出化·小型化的要求, 具有低熱阻的
AlN
絕緣基板的應用越來越廣泛。 然而, 由于基板厚度大,常規的 AlN 絕緣基板具有高剛性。 外殼溫度(Tc
升高時, 施加于基板下焊錫的熱應力將增加,從而降低可靠性。
如圖
1-7 所示,第 7 X 系列模塊, 新開發的絕緣基板的 AlN 陶瓷層比以前系列更薄,并能確保高散
熱·低熱阻和長期可靠性。通常來說, 當
AlN 絕緣層變薄時, 會擔心陶瓷絕緣基板的絕緣強度和初始強
度降低,但是通過優化陶瓷的燒結條件解決了這些問題。
3

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