在一些要求高可靠性的應用場(chǎng)合，希望功率半導體器件可以穩定運行30年以上。為了達到這個(gè)目標，三菱電機開(kāi)發(fā)了X系列高壓IGBT模塊，特別注重了可靠性方面的設計，并在實(shí)際的環(huán)境條件下進(jìn)行了驗證，結果顯示失效率可以得到明顯降低。本文著(zhù)介紹在IGBT數據手冊上看不到的一些特性。
1、引言
在一些電力電子應用中，例如軌道牽引、輸變電系統等，追求IGBT模塊零失效率，但是實(shí)際運行中一些突發(fā)狀況還是會(huì )發(fā)生，而這種突發(fā)狀況往往無(wú)法預測，所以就要求功率半導體器件能夠有足夠大的裕量，可以承受這種突然的沖擊。本文就X系列高壓IGBT模塊在應對突發(fā)工況和惡劣環(huán)境條件下的一些特別設計點(diǎn)做了詳細介紹。
2、可靠性設計
2.1 大電流開(kāi)關(guān)工況下的動(dòng)態(tài)魯棒性
2.1.1 過(guò)載工況
在IGBT模塊選型時(shí)，需要考慮的因素很多，比如回路雜散電感、門(mén)極驅動(dòng)條件、直流電壓波動(dòng)范圍、環(huán)境溫度等等。就電流而言，一般情況下，IGBT模塊規格書(shū)定義其最大關(guān)斷電流為兩倍的額定電流，這是由IGBT芯片所決定的。如圖1所示，X系列高壓IGBT芯片襯底增加了P區，可以實(shí)現增大的關(guān)斷電流[1][2]。
2.1.2 短路工況
短路模式分為好幾種模式：IGBT開(kāi)通即短路（短路模式1），IGBT通態(tài)過(guò)程中短路（短路模式2），反并聯(lián)二極管續流時(shí)短路（短路模式3）[3][4]。從IGBT設計原理上，有兩種提高IGBT模塊短路耐量的方法：一種是優(yōu)化IGBT芯片設計。另一種是優(yōu)化IGBT模塊內部排版布局，使短路電流引起的電磁感應對門(mén)極電壓的影響最小化。對IGBT芯片來(lái)說(shuō)，通過(guò)優(yōu)化MOS柵極的元胞結構和密度，可以避免閂鎖效應發(fā)生，進(jìn)而提高其短路耐量。對IGBT模塊內部排版布局來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)電磁場(chǎng)分析，使短路電流對門(mén)極電壓引起的感應電動(dòng)勢最小[5]。
短路模式3對反并聯(lián)二極管是個(gè)巨大的考驗。所以，在X系列二極管芯片設計時(shí)，特別增強了二極管的堅固可靠性。通過(guò)采用RFC芯片技術(shù)[6]，反并聯(lián)二極管可以承受更大的峰值功率，保證其在短路模式3下不會(huì )失效。
2.1.3 反向恢復過(guò)程
在母線(xiàn)電壓較高時(shí)，對于傳統的PIN二極管，當反向恢復時(shí)，二極管兩端的電壓會(huì )產(chǎn)生電壓尖峰和振鈴現象（如圖2所示）。為了抑制這種現象，必須減小IGBT模塊開(kāi)通時(shí)的di/dt，但是低的di/dt會(huì )導致開(kāi)通損耗的上升。如果采用RFC二極管，即使開(kāi)通速度比較快（di/dt較大），反向恢復的振鈴現象也不會(huì )發(fā)生，此時(shí)開(kāi)通損耗也會(huì )相對較小[6]。RFC二極管芯片的截面圖如圖3所示。
2.1 更高的穩態(tài)工作結溫
一般來(lái)說(shuō)，功率半導體器件的失效率會(huì )隨著(zhù)其工作溫度的升高而上升（參考MIL標準：MIL-HDBK-217F），根據公式(1)，硅NPN器件在150℃工作結溫下的失效率（πT）是其在125℃時(shí)的1.37倍。
所以，在選擇IGBT模塊時(shí)，應當了解其最大工作結溫，并且留有適當的裕量。而對于IGBT模塊設計者來(lái)說(shuō)，也應當選擇耐高溫的材料，并且采用合適的組裝工藝流程，使IGBT模塊能夠可靠穩定地在高溫下運行。下面就X系列高壓IGBT模塊在工作結溫和絕緣方面的設計點(diǎn)做介紹。
2.2.1 防止過(guò)溫失效
減小高溫下集電極-發(fā)射極漏電流（ICES）是一個(gè)有效的防止過(guò)溫失效的方法。對IGBT芯片來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)以下設計方法：
1、優(yōu)化N+緩沖層結構（如圖4）；
2、控制N-漂移層的載流子壽命；
3、采用一種合適的邊緣終止區結構[7];
4、晶圓處理過(guò)程中采用吸雜工藝，如圖5所示，增強晶圓的純度，使雜質(zhì)含量最小化。
通過(guò)以上措施，使X系列高壓IGBT模塊在在150℃時(shí)的ICES與傳統IGBT模塊125℃時(shí)相當。
2.2.2 強化絕緣能力
局部放電是IGBT模塊絕緣設計的一個(gè)重要考量點(diǎn)，應當保證IGBT器件在高溫下長(cháng)期運行時(shí)不產(chǎn)生局部放電。首先絕緣凝膠的選擇，在超過(guò)IGBT最大結溫時(shí)仍保持良好的絕緣性能。其次在凝膠注入時(shí)，采用精細的工藝流程保證凝膠中的氣泡不會(huì )引起局部放電發(fā)生。
2.3 更好的抵御惡劣環(huán)境能力
像鐵路等，控制功率模塊周邊的溫度和濕度是很困難的，因此在IGBT模塊設計時(shí)，應當考慮其在高壓下抵御高濕度的能力。
2.3.1 濕度和凝露對IGBT模塊的影響
當VCE較高，且環(huán)境濕度比較大時(shí)，場(chǎng)限環(huán)表面的電荷易于產(chǎn)生集聚，而這種電荷的集聚會(huì )影響IGBT芯片的耐壓能力（VCES）。X系列高壓IGBT模塊的邊緣終止區采用半絕緣性鈍化膜材料和處理工藝，可以抑制高壓工況下場(chǎng)限環(huán)表面的電荷集聚，進(jìn)而提高其抵御高濕度和凝露的能力。
2.3.2 LTDS
LTDS（長(cháng)期運行直流穩定性）是IGBT芯片抵御宇宙射線(xiàn)的能力，也是IGBT模塊設計時(shí)一個(gè)重要考慮點(diǎn)。如之前所述[7]，通過(guò)采用輕穿通（LPT）技術(shù)，并減小ICES，確保X系列高壓IGBT模塊的LTDS滿(mǎn)足電氣系統要求。
3、驗證結果
三菱電機開(kāi)發(fā)了新一代具有高魯棒性和可靠性的X系列高壓IGBT模塊：VCES=6500V,IC=1000A。以下描述驗證方法和驗證結果。
3.1 動(dòng)態(tài)魯棒性的驗證結果
3.1.1 反向偏置安全工作區（RBSOA）
在一個(gè)帶感性負載的半橋電路中，直流電壓VCC=4500V，Tj=150℃，逐漸增大集電極電流（Ic），直到4倍額定電流。如圖6所示，CM1000HG-130XA可以安全地關(guān)斷4倍額定電流。關(guān)斷過(guò)程電壓電流的曲線(xiàn)圖如圖7所示。
3.1.2 短路耐量
圖8所示為短路模式2的測試電路圖，圖9所示為短路模式3的測試電路圖。圖11為觸發(fā)脈沖次序。如圖所示，IGBT2為被測器件，為了使其短路電流不受其它因素制約（例如IGBT3的退飽和電流），我們選擇IGBT2的1/3來(lái)測試（如圖10）。
短路模式2和短路模式3是考量IGBT模塊的極限測試，如果IGBT模塊沒(méi)有足夠的短路耐量，就會(huì )發(fā)生損壞（如圖12）所示。在VCC=4200V，VGE=15V，Tj=150℃，tw=10us，Lsc=4.2nH，短路之前流過(guò)IGBT的電流為1000A，CM1000HG-130XA可以安全地通過(guò)短路模式2的測試，如圖13所示。在相同的條件下，短路之前流過(guò)二極管的電流為1000A，CM1000HG-130XA同樣可以安全地通過(guò)短路模式3的測試，如圖14所示。
3.1.3 二極管魯棒性
衡量二極管魯棒性的一個(gè)指標為反向恢復過(guò)程中的最大可承受峰值功率（Prr），當反向恢復二極管的Prr較小時(shí)，在高壓、高di/dt工況時(shí)，極易發(fā)生損壞。CM1000HG-130XA反并聯(lián)二極管采用RFC硅片技術(shù)，最大可承受峰值功率（Prr）可達13MW，即使在高溫、高壓、大電流工況下，依然可以可靠地進(jìn)行反向恢復，且不會(huì )發(fā)生電壓振鈴現象。在VCC=4500V,VGE=15V, IF=2000A, Tj=150℃，Ls=150nH,di/dt>5000A/us, Prr=13MW, 二極管反向恢復波形如圖15所示。其電壓電流的關(guān)系圖如圖16所示，CM1000HG-130XA可以承受更大的峰值功率。
3.2 惡劣環(huán)境工況的驗證結果
3.2.1 高溫工況
為了驗證高溫下漏電流（ICES）的變化，我們把IGBT模塊放置在散熱器上，保持散熱器溫度在150℃。然后從1kV開(kāi)始不斷的增加VCE, 直到6.5kV。我們可以看到漏電流變化如圖17所示。在6.5kV時(shí)，ICES在30mA左右，和傳統IGBT模塊在125℃時(shí)相當。
通過(guò)局部放電測試來(lái)驗證X系列高壓IGBT的絕緣特性，首先把其做高溫存儲和溫度循環(huán)（如表3所示），然后施加6.9kVrms的測試電壓（如圖18所示），測試結果表明，溫度變化前后，局部放電并沒(méi)有明顯變化。
3.2.2 高濕工況
為了驗證CM1000HG-130XA抵御高濕度的能力，通過(guò)凝露試驗來(lái)確認[9]。在凝露條件下，VCE=5200V，VGE=0V，Ta=25℃，CM1000HG-130XA的漏電流ICES在重復五次試驗之后沒(méi)有發(fā)生明顯變化。
4、結論
功率半導體器件作為電力電子系統的關(guān)鍵元器件，其穩定、可靠地長(cháng)期運行至關(guān)重要。X系列高壓IGBT模塊設計時(shí)特別考慮了其可靠性：(1)新的IGBT和二極管硅片技術(shù)增強了其在過(guò)載、短路等大電流工況下的動(dòng)態(tài)魯棒性；(2)新的硅片結構和晶圓處理工藝保證其可以在更高工作結溫下運行(150℃)；(3)新的絕緣材料和工藝流程，保證其在惡劣環(huán)境條件下（比如高濕等）仍然可以可靠運行。以上設計帶來(lái)的實(shí)際效果，已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗得到驗證。 |
