软特性650V IGBT降低电磁干扰和电压尖峰的优化器件

半导体

近年来，功率半导体厂商致力于提高器件的开关速度，这带来了开关损耗降低和系统能效提升的益处。这些功率器件需要优化的直流威廉希尔官方网站寄生电感（L）。为了满足具有大电流的高功率应用的需求，推出了一种全新的芯片650V IGBT4，旨在提供更大的设计自由度。这款全新的IGBT4器件具备更好的关断软度，并且由于关断电流变化率di/dt的降低，带来了更低的关断电压尖峰。
该器件专门设计用于中高电流应用。相对于600V IGBT3，全新芯片具备更出色的关断软度和更高的阻断电压功能。此外，该器件的短路能力大幅增强。而600V IGBT3主要适用于低功率应用或杂散电感很低的高功率应用。
650V IGBT4的设计与技术
全新的650V IGBT4 [1]采用沟槽MOS-top-cell薄片技术和场终止概念，如图1所示。沟槽与场终止技术的结合，带来相对低的通态和关断损耗。相对于600V IGBT3，该芯片的厚度增加约15%，MOS沟道的宽度降低约20%，如图1所示。因此，关断软度得以改进，从而降低电磁干扰。当然，这些措施也会引起额外损耗。为弥补这些负面影响，将背部射极的能效提高了50%。除了优化动态性能，阻断电压也提高了50V，达到650V。

图1
图1 全新650V IGBT4的截面图。相对于600V IGBT3的改进：芯片厚度增加（y）、沟道宽度降低（z）、背部P射极能效提高。
650V IGBT4动态特性的结果
杂散电感与电流变化率的结合影响着器件的开通和关断电压特性，可以表示为ΔV=L*di/dt。因此，如果器件关断时电感Lσ较大，电压尖峰就会升高。关断行为对栅极电阻很不敏感。这是沟槽场截止IGBT的一大特性［6］。这种固有的IGBT性能带来的后果是，需要采用集成IGBT保护功能和/或吸收电容等其他组件的特殊驱动器。所有这些功能和组件增大了设计难度和成本。对于大电流场合，由于较高的di/dt，直流母线威廉希尔官方网站需设计极小寄生电感。因此，可选用具备软开关特性的专用IGBT，例如全新的650V IGBT4。

如图2所示， 600V IGBT3（快速）和650V IGBT4（软度）在开关性能方面差别明显，采用高电流600A EconoDUAL™3模块进行对比。

研究选用的是Lσ=60nH的标准直流威廉希尔官方网站设计。这种设计对于高电流600V IGBT3 并不太合适[5]。因此，在25℃、300V的直流电压下，对50% Inom（IC=300A）电流关断时，600V IGBT3会产生一个很高的过冲电压VCE,max 和阶跃振荡。相反，特别为这种高电流应用设计的650V IGBT4，即使典型直流电压达到300V，仍然显示出平滑的关断特性和很低的过冲电压VCE,max。

图2
图2. 在25℃下关断300A电流时， 600V IGBT3 （左图）和新型650V IGBT4 （右图）在关断过程的软度比较（在EconoDUALTM3模块上测量）。图2分别采用不同颜色曲线示出电压VCE　（黑色曲线）、集电极电流IC（红色曲线）及栅极－发射极电压VGE（绿色曲线）的变化情况。

在给定的测试设置中，600V IGBT3器件达到了600V阈值，而650V IGBT4显示出了530V的更小电压尖峰。除了降低电压尖峰，还提高了阻断电压功能VCE_max，带来了关断时安全裕度增大的优势。

IGBT的关断特性和软度对栅极电阻都很不敏感。改进关断软度可降低电磁干扰。图3所示为软和非软关断波形的傅立叶转换频谱图。当振荡频率为f=20…25 MHz（这是芯片直流振荡器在规定寄生电感下非常典型的频率）左右时，振荡电平达到原来的5倍。

图3
图3电流突变对电磁干扰的影响；FF600R07ME4（黑色曲线）软关断时电压曲线的FFT与FF600R06ME3（红色曲线）的电流突变开关事件。

尽管这种方法不能预测能否通过EMI认证，但它明显显示出电磁干扰对电流突变现象敏感。

所有设计中最重要的方面是改进直流母线的设计，旨在防范其他任何类型的振荡。

对于高能效设计而言，一个简单的原则是电感越低越好。

另一方面，在关断时更软的开关行为必须付出更高的损耗（Eoff），在T=25°C下，饱和电压略微提高ΔVCEsat≈100mV。但是考虑到常规的开关频率，这种损耗增加无关紧要。该事实可以在图4明显看出：图4是IPOSIM的仿真结果。IPOSIM，是英飞凌设计的一种功率仿真程序，可以在英飞凌网站（www.Infineon.com）找到。它可以完成针对所有组件的开关和通态损耗的计算，不但考虑开关和导通损耗，同时也考虑热问题。从图4 可以看出，由于650V IGBT4的损耗增大引起的RMS模块电流降低的幅度很小。在2kHz至10kHz的开关频率范围内（通用应用的典型范围），其降幅为4%至 9%。

图4
图4 在600A EconoDUALTM 3 模块中，计算作为600V IGBT3（黑线代表Tvjop=150°C，红线代表Tvjop=125°C）和新型650V IGBT4（蓝线代表Tvjop=150°C、绿线代表Tvjop=125°C）的开关频率函数的RMS电流。采用IPOSIM工具获得的计算结果可在www.infineon.com网站找到。模拟条件：Rthheatsink=0.09K/W、Tambient=40°C、Tvj,op=150°C和Tvjop=125°C、cos（）=1。

除了标准操作，这种设计还必须具备结实耐用性，能够承受故障。功率半导体数据表中的参数值是硬短路电流（ISC）的规范。

短路鲁棒性
尽管场终止型IGBT相对于非穿通型（NPT）设计大大降低了硅片厚度，但它仍然具有良好的短路鲁棒性[3, 4]。与600V IGBT3相比，新型650V IGBT4的短路鲁棒性有显著的增强。硅片厚度的增加，带来硅片体积热容量的增加，从而可以提供更大的热预算。另外，沟道宽度的减小降低了短路电流的水平，这种效应反之亦然 [5]。总之，650V IGBT4 可以抵抗更高的短路能量，从而使器件能够耐受更长的短路脉冲时间而不会损坏。图5中所示为650V IGBT4的典型硬短路脉冲测试结果。如曲线图所示，短路脉冲时间达到了10微秒，并且短路电流通常约是FF600R07ME4器件标称电流的4 倍。

图5
图5 650V IGBT4的短路脉冲测试结果。图中所示为集电极-发射极电压VCE（黑色曲线）、集电极电流IC（红色曲线）、栅极-发射极电压VGE（绿色曲线）。测试条件：VCE =360V、VGE =±15V、 Tvj =150℃。
在规定短路时间内（由600V IGBT3的6微秒增至650V IGBT4的10微秒），该器件具备出类拔萃的开关性能和短路鲁棒性。

结论
利用英飞凌新型650V IGBT4可开发出专用于大电流应用的逆变器设计，以部署在相应的模块中。该器件具备如下特性：

• 通过改进关断软度降低电磁干扰
• 通过降低关断电流变化率减小电压尖峰
• 更高的阻断电压功能：VCE_max=650V
• 可在高直流电压和/或杂散电感下操作
• 增强的短路鲁棒性：10微秒短路脉冲时间、Tvjop=150°C
• 在结温升高（高达Tvjop=150°C）下的最高输出功率和在结温降低下的最高功率循环功能之间具备理想的灵活性

总之，设计工程师利用650V IGBT4可进行自由灵活的设计。

参考资料
[1] A.Härtl, M.Bässler, M.Knecht, P.Kanschat: “650V IGBT4: The optimized device for large current modules with 10µs short-circuit withstand time”, Proc. PCIM Europe, （2010）.
[2] H. Rüthing et al.: "600V-IGBT3: Trench Field Stop Technology in 70µm Ultra Thin Wafer Technology", Proc. 15 th ISPSD, 66 （2003）.
[3] M. Otsuki et al.: “Investigation on the Short-Circuit Capability of 1200V Trench Gate Field-Stop IGBTs“, Proc. 14th ISPSD, 281 （2002）.
[4] T. Laska et. al.: “Short Circuit Properties of Trench-/Field-Stop-IGBTs – Design Aspects for a Superior Robustness”, Proc. 15th ISPSD, 152 （2003）.
[5] P. Kanschat, H. Rüthing, F. Umbach, F. Hille: “600V-IGBT3: A detailed Analysis of Outstanding Static and Dynamic Properties”, Proc. PCIM Europe, 436 （2004）.
[6] W.Rusche: Infineon Application Note “AN2003-03, Switching behaviour and optimal driving of IGBT3 modules” （2003）

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