Fuji富士V系列IGBT应用手册中文版

2018-08-15 19:52:29 Westpac Electronics
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Fuji富士V系列IGBT应用手册中文版

应用手册 

 

- 第六代 V 系列 IGBT 模块 - 

 

 

目录  页码 

1 V 系列的基本概念  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 2 

2  IGBT 模块芯片结构的变迁  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3 

3 V 系列 IGBT 芯片的特征  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 5 

4 高导热DCB基板的应用  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 10 

5 芯片布局最佳化  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 11 

6 最大结温Tj(max)=175℃  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 12 

7 短路(过电流)保护  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 12 

8 过电压保护  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 14 

9 并联连接  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 19 

10 最大额定电流的提高  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 21 

11 免焊接模块的系列化  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 22 

 

前言 

 

   在继承了第五代 U系列的沟槽栅门极结构和场终止技术的基础上, 第六代 V 系列 IGBT 模块进一步开发出

了超薄化晶片技术,沟槽构造最佳化技术,进一步改善了模块特性。 

   本章详细介绍了第六代 V 系列IGBT 模块的各种特性及特征。 

1 V 系列的基本概念 

   近年来,随着环境保护意识的普及,全世界都在呼吁降低二氧化碳排放量。而要降低二氧化碳的排放量,

就必须减少能源的使用量。从而,减少装置及机器设备内的零件数量、零件使用材料,降低生产过程中能源

的耗费也变得尤为重要。因此,在呼吁提高能源转换效率的同时,市场对设备小型化的需求也越来越强烈。

IGBT 模块是电能转换设备的核心部件,如果能使 IGBT 模块小型化,将极大地有助于实现设备小型化。 

基于上述背景,我们以“小型化”为基本理念,开发出了最新一代的 V 系列IGBT模块。 

   图 1-1 显示了市场对 IGBT 模块的基本需求。市场对 IGBT 模块的基本需求可总结为提高性能及可靠性、

减轻环境影响。但是与性能、环境、可靠性相关的各个特性又相互关联影响,因此,为实现 IGBT 模块的小型

化,必须平衡地改善各项性能指标。 

   本次开发的第六代 V-IGBT 模块通过最大化性能、环境、可靠性有关的各个特性,实现了“小型化”这一

基本理念,并且在同一封装系列扩容,增加了产品的最大额定电流。 

 

2 IGBT模块芯片结构的演变 

 

   图 2-1显示了富士电机各代 IGBT 芯片的剖面图。另外,在表 2-1 中列举了应用于各代 IGBT 的技术信息。  

   在第三代 IGBT 之前,平面栅穿透型 IGBT 占主导地位。当时,穿透型 IGBT 使用了外延晶片,通过从集电

极侧大量注入载流子来实现低通态压降。同时,由于在关断时需要迅速消除大量注入到 n 基层的载流子,采

用了生命周期控制技术,从而同时实现了低通态压降 Vce(sat))和低关断损耗(Eoff)。 

   然而, 在使用生命周期控制技术的情况下, 通过生命周期控制技术来抑制大量注入的载流子, 从而使IGBT

模块在性能改善方面受到了限制。而且,由于使用了生命周期控制技术,通态压降的不均性变大,从而在并

联应用时很难抑制电流不平衡。 

   为了解决这些难题,富士电机开发出了第四代 S 系列产品,即不需要使用生命周期控制技术的非穿透

(NPT)型 IGBT 产品。非穿透型 IGBT通过控制集电极(p

+

层)的掺杂浓度,抑制了载流子的注入效率,同时减

小了 n 基层的厚度,提高了输送效率。由于非穿透型 IGBT可用 FZ(Floating Zone,区熔)晶片代替外延晶

片,从而使其不易受结晶缺陷的影响。另一方面,为了实现低通态压降,需要极大地提高输送效率,因此需

要进一步减小 n 基层的厚度即芯片厚度。富士电机开发了晶片超薄化技术,为特性改善做出了贡献。虽然采

用了超薄化技术来进一步改善芯片的特性,但是 n 基层的厚度基本上决定了芯片的厚度,而 n 基层的厚度又

对模块的耐压能力具有极大的影响,因此芯片特性改善与耐压能力的矛盾变得尤为突出。FS(Field Stop,

场终止)构造成功地解决了这一阻碍模块耐压特性改善的难题。所谓 FS 构造,即在 n 基层设置高浓度 FS 层

的构造。通过采用这种构造可进一步改善产品特性。 

   另外,富士电机同时也在进行着 IGBT 特性改善所需的表面构造的细微化研究。众所周知,IGBT 是由多

个被称为元胞的基本单元形成的。IGBT 元胞数越多越容易实现低通态压降。因此,表面构造也慢慢从晶片表

面制作 IGBT 元胞的构造(平面构造)向在 Si 表面开槽形成三维门极构造转变。第五代 U 系列产品通过采用

上述的 FS 构造和沟槽栅构造,实现了划时代的特性改善。 

   今天我们又推出了第六代“V 系列”产品,它在第五代 U 系列的基础上,把 FS 构造进一步超薄化,从而

实现了低通态压降和关断损耗的降低。而且,通过进一步优化沟槽栅结构,提高了开关速度的可控性。 

 

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