IGBT研发新进展

IGBT(绝缘栅双极晶体管)作为新型电力电子半导体场控制关断器件。集功率MOSFET的高速性能与双极性器件的低电阻于一体,具有输入阻抗高、电压控制功耗低、控制电路简单、耐高压、承受电流大等特性,在各种电力变换中获得极广泛的应用。与此同时,各家半导体生产厂商不断开发IGBT的耐高压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性和低成本技术,主要采用1μm以下制作工艺,研制开发取得一些新进展。

①UIGBT。U(沟槽结构)IGBT是在管芯上刻槽,芯片元胞内部形成沟槽式栅极。采用沟道结构后,可进一步缩小元胞尺寸,减少沟道电阻,提高电流密度,制造额定电流相同而芯片尺寸最小的产品。现有多家公司生产各种UIGBT产品,可满足低电压驱动和表面贴装的要求。

②NPTIGBT。NPT(非穿通型)IGBT采用薄硅片技术,以离子注入发射区代替高复杂、高成本的厚层高阻外延,可降低生产成本25%左右,耐压越高成本差越大,在性能上更具特色,高速、低损耗、正温度系数,无锁定效应。在设计600~1200V的IGBT时,NPTIGBT可靠性最高。西门子公司可提供600V、1200V、1700V系列产品和6500V高压IGBT,并推出低饱和压降DLC型NPTIGBT;依克赛斯、哈里斯、英特西尔、东芝等公司也相继研制出NPTIGBT及其模块系列;富士、摩托罗拉等公司也正在研制。NPTS型正成为IGBT发展方向。

③SDBIGBT。鉴于目前厂家对IBGT的开发非常重视,三星、快捷等公司采用SDB(硅片直接键合)技术,在IC生产线上制作第四代高速IGBT及模块系列产品,特点为高速,低饱和压降,低拖尾电流,正温度系数易于并联,在600~1200V电压范围性能优良,分为UF、RUF两大系统。

④超快速IGBT。国际整流器IR公司的研发重点在于减少IGBT的拖尾效应,使其能快速关断,研制的超快速IGBT可最大限度地减少拖尾效应,关断时间不超过2000ns。采用特殊高能照射分层技术,关断时间可在100ns以下,拖尾更短,重点产品是专为电机控制而设计的。现在有6种型号,还可用在大功率电源变换器中。

⑤IGBT/FRD。IR公司在IGBT基础上推出两款结合FRD(快速恢复二极管)的新型器件。IGBT与FRD有效结合,将转换状态的损耗减少20%,采用TO—247外形封装,额定规格为1200V/25A、1200V/50A、1200V/75A、1200V/100A,用于电机驱动和功率转换。以IGBT及FRD为基础的新技术便于器件并联,在多芯片模块中实现更平均的温度,提高整体可靠性。

⑥IGBT功率模块。IGBT功率模块采用IC驱动、各种驱动保护电路、高性能IGBT芯片和新型封装技术,从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高电压大电流方向发展,其产品水平为1200~1800A/1800~3300V。IPM除用于变频调速外,600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。平面低电感封装技术是大电流IGBT多芯片并联的关键工艺。美国海军开发出以IGBT模块为有源器件的PEBB,用于舰艇上的导弹发射装置。IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB,大大降低电路接线电感,提高系统效率。现已开发成功第二代IPEM,其中所有的无源元件均以理层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化正成为IGBT发展热点。

⑦低功率IGBT。IGBT一般都用在600V、1kA、1kHz以上区域。为满足家电行业的发展需求,摩托罗拉、ST半导体、三菱等公司推出低功率IGBT产品,适用于家电行业的微波炉、洗衣机、电磁灶、电子镇流器、照相机等产品。


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