摘要：本文介绍了Infineon公司专为Inom>300A中大电流应用设计的最新的650V IGBT4。与600V IGBT3相比，该器件在关断时具有更好的软度和更高的阻断电压能力。实现上述特性的主要措施在于增加了芯片的厚度，减小了MOS沟道的宽度，提高了背面的发射效率。相应地，器件的短路鲁棒性也有了显著的改进。

1引言

　　2003年，英飞凌公司提出了使用沟槽和场截止技术的600V IGBT3器件^[1]，该产品目前仍然是IGBT器件特性的标准。然而，这种600V IGBT3 主要适合小功率应用或者杂散电感很低的大功率应用。在器件开启及关断时，杂散电感与电流变化量的结合影响着器件的电压特性，可以表示为V=L·dI/dt。因此，如果器件关断时电感Lσ较大，过压就会很高。当前，为了给不同电路的大电流应用提供更多的选择，一种全新的芯片——650V IGBT4 已设计完成。

2 650V IGBT4的设计及技术

　　与600V IGBT3一样，新的650V IGBT4也是采用了沟槽的MOS-top-cell薄片技术和场截止的概念（如图1 所示），但与600V IGBT3相比，芯片厚度增加了大约15%，并且MOS沟道宽度减小了大约20%（图1中的红色部分），因此通过减小电磁干扰改善了关断时的软度，同时获得了更高的阻断电压能力。沟槽和场截止的结合使通态损耗和关断损耗仍相对较低。当然，上述措施自然也会引起附加的损耗。为了补偿相应的影响，背面发射极的效率增加了50%。 结果，650V IGBT4器件关断时软度得以改善，即正向过冲电压降低，关断电流变化率dI/dt减小；同时阻断电压增加到650V。另一方面，正向电压仍然较低，开关损耗只有适度的增加。

图1 新型650V IGBT4横向剖面图

　　与600V IGBT3相比的改进在图中已示出：增加了芯片厚度（y），减小了沟道宽度（z），增加了背面P发射极效率。

3 650V IGBT4的特性

3.1静态和动态参数

　　相比于600V IGBT3，新型650V IGBT4器件的饱和电压V_CE，sat有轻微的增加（~100mV），同时E_off也有增加，主要原因在于器件具有更软的开关行为。如图2和图3所示，软度的改进是显而易见的。

　　图 2 在25℃，600Ａ电流关断时， 600V IGBT3 (ａ)和新型650V IGBT4 (ｂ)在关断时的软度比较(在EconoDUALTM3模块上测量)。图中示出了电压V_CE　(黑色曲线)、集电极电流IC（红色曲线）及栅极－发射极电压V_GE（绿色曲线）的变化情况，对于IGBT3，在200V的直流电压下，已经有震荡发生；而新型650V IGBT4即使在300V直流电压下仍表现为软的开关特性。

　　图2 中对EconoDUALTM3的开关过程进行了比较。这种特殊的高电流电路对600V IGBT3并不太合适。因此，在25℃、200V的直流电压下，对600Ａ电流关断时， 600V IGBT3会产生一个很高的过冲电压V_CE,max和阶跃震荡。相反，特别为这种高电流应用相对应的模块类型设计的650V IGBT4，即使直流电压加到300V，仍然显示出平滑的关断特性和很低的过冲电压V_CE,max。

　　从图3可见，通过比较软度参数V_CE,max和电流变化率dI/dt，两种器件开关特性的差异也是很明显的。我们在25℃的温度下，将器件安装在DBC表面，对600V IGBT3进行了的测试；对新型650V IGBT4，则进行了几种不同变体的测试，包括最终的目标设计。通过对600V IGBT3和新型650V IGBT4最终变体的测量结果比较，我们可以看出650 IGBT4与600V IGBT3相比，最大过冲电压V_CE,max减小了大约40V，同时关断电流变化率dI/dt下降了20%。

图3 器件关断时软度参数的对比结果

　　包括电流变化率dI/dt和最大过冲电压V_CE,max，器件则包括600V IGBT3和新型650V IGBT4（红色菱形）及其不同变体（小的红色三角形）。所有的数据均为在25℃、在DBC表面、同样的条件下测试。对于新型650V IGBT4的最终变体，最大过冲电压V_CE,max比600 IGBT3减小了大约40V，关断电流变化率dI/dt下降了20%。

　　另一方面，在关断时更软的开关行为必须付出更高的损耗。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的模拟结果。IPOSIM，是Infineon公司设计的一种功率仿真程序，可以在Infineon 网站（www.Infineon.com）找到。它可以完成针对所有组件的开关和导通损耗的计算，不但考虑通态和开关损失，同时也考虑热额定值。从图4 可以看出，由于650V IGBT4的损耗增大引起的模块电流有效值的减小是很少的，在12kHz以下处于3%到7%的范围之内。而12kHz以下是常规应用典型的开关频率范围。

　　图 4 在600A EconoDUALTM3 的模块中，电流有效值随开关频率变化的计算结果：600V IGBT3（黑色线条）、650V IGBT4（红色线条），模拟条件Rth(heatsink）=0.09K/W，T(ambient)=40℃，T_vj,op=150℃,cos(φ）=0.85)。

3.2短路鲁棒性

　　尽管场截止型IGBT相对于非穿通型的设计相当程度的减小了硅片厚度，但它仍然具有良好的短路鲁棒性^[2,3]。与原来的600V IGBT3相比，新型650V IGBT4，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（这种效应见于^[4]）。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短路脉冲测试结果。曲线示出，短路脉冲时间达到了15μs，并且短路电流通常约是200A器件标称电流的4.5 倍。尽管由于热的失控，短路的结果后来导致了器件的损坏（图中没有示出），然而短路关断结果本身是成功的。对典型器件，热损坏的极限是15μs，低于这种条件，即使脉冲时间达到14.5μs，器件通常都能耐受下来。考虑到工艺能力的要求，可以说在T_vj=T_vj,op时，器件的额定最大短路脉冲耐受时间从600V IGBT3的6μs提高到目前的新型650V IGBT4的10μs。

图5. 650V IGBT4的短路脉冲测试结果

　　图中集电极-发射极电压V_CE（黑色曲线）、集电极电流IC（红色曲线）、栅极-发射极电压V_GE（绿色曲线，右侧纵坐标）,测试条件：V_CE =360V, V_GE =±15V, T_vj =150℃。

4结论

　　一种特别为大电流应用设计的IGBT器件——新型650V IGBT4研制成功。该器件可用于相应的模块，例如62mm，EconoDUALTM3和EconoPACKTM4。该IGBT器件的特征在于改善了关断的软度，即显著减小了过冲电压V_CE,max和电流变化量dI/dt的值。该器件使得在更高的直流电压和（或者）连接更大电感的情况下，关断EconoPACKTM4变为现实。另外，这种新型650V IGBT4提供了更高的短路鲁棒性，可以耐受10μs的脉冲时间。新型650V IGBT4 具有更好的开关行为，而依旧只有适度的损耗，这种特性使得更好的短路事件管理成为可能：利用10微秒的耐受时间，进行短路情况下的电流探测（比如利用开环Hall 传感器等）。

　　另外，Infineon IGBT模块内部装配技术的最优化提供了显著的能量循环（PC）的改善。这样至少可以确保在PN 结工作结温T_vj,op=150℃时有优秀的PC寿命预期，或者在用户选择较低结温下有更长的PC寿命。650V IGBT4在设计工程师使用时能提供更有效的自由度。

　　这种新一代的半导体器件将被用在大家熟知的和未来的IGBT 模块中。由于前述的众多改进，对不同的应用需求，新一代的IGBT4 模块都将是一个明智的选择。

参考文献

[1]H.Rüthing.600V-IGBT3: Trench Field Stop Technology in 70μm Ultra Thin Wafer Technology. Proc,15th ISPSD,2003,66

[2]M.Otsuki.Investigation on the Short-Circuit Capability of 1200V Trench Gate Field-Stop IGBTs.Proc,14th ISPSD,2002,281

[3]T.Laska .Short Circuit Properties of Trench/Field-Stop-IGBTs – Design Aspects for a Superior Robustness.Proc,15th ISPSD,2003,152

[4]P.Kanschat, H.Rüthing, F.Umbach, F.Hille.600V-IGBT3:A detailed Analysis of Out-standing Static and Dynamic Properties.Proc,PCIM Europe, 2004,436