英飞凌各代IGBT模块技术详解

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1、英飞凌各代IGBT模块技术详解IGBT是绝缘门极双极型晶体管（IsolatedGateBipolarTransistor）的英文缩写。它是八十年代末，九十年代初迅速发展起来的新型复合器件。由于它将MOSFET和GTR的优点集于一身，既有输入阻抗高，速度快，热稳定性好，电压驱动（MOSFET的优点，克服GTR缺点）；又具有通态压降低，可以向高电压、大电流方向发展（GTR的优点，克服MOSFET的缺点）等综合优点，因此IGBT发展很快，在开关频率大于1KHz，功率大于5KW的应用场合具有优势。随着以MOSFE

2、T、IGBT为代表的电压控制型器件的出现，电力电子技术便从低频迅速迈入了高频电力电子阶段，并使电力电子技术发展得更加丰富，同时为高效节能、省材、新能源、自动化及智能化提供了新的机遇。英飞凌／EUPECIGBT芯片发展经历了三代，下面将具体介绍。一、IGBT1－平面栅穿通（PT）型IGBT（19881995） 西门子第一代IGBT芯片也是采用平面栅、PT型IGBT工艺，这是最初的IGBT概念原型产品。生产时间是1990年－1995年。西门子第一代IGBT以后缀为“DN1”来区分。如BSM150GB120DN

3、1。 图1.1PT-IGBT结构图..PT型IGBT是在厚度约为300－500μm的硅衬底上外延生长有源层，在外延层上制作IGBT元胞。PT-IGBT具有类GTR特性，在向1200V以上高压方向发展时，遇到了高阻、厚外延难度大、成本高、可靠性较低的障碍。因此，PT-IGBT适合生产低压器件，600V系列IGBT有优势。二、IGBT2－第二代平面栅NPT-IGBT西门子公司经过了潜心研究，于1989年在IEEE功率电子专家会议（PESC）上率先提出了NPT－IGBT概念。由于随着IGBT耐压的提高，如电压V

4、CE≥1200V，要求IGBT承受耐压的基区厚度dB>100μm，在硅衬底上外延生长高阻厚外延的做法，不仅成本高，而且外延层的掺杂浓度和外延层的均匀性都难以保证。1995年，西门子率先不用外延工艺，采用区熔单晶硅批量生产NPT－IGBT产品。西门子的NPT-IGBT在全电流工作区范围内具有饱和压降正温度系数，具有类MOSFET的输出特性。图1.2NPT-IGBT结构图西门子／EUPECIGBT2最典型的代表是后缀为“DN2”系列。如BSM200GB120DN2。“DN2”系列最佳适用频率为15KHz－20

5、KHz，饱和压降VCE(sat)=2.5V。“DN2”系列几乎适用于所有的应用领域。西门子在“DN2”系列的基础上通过优化工艺，开发出“DLC”系列。“DLC”系列是低饱和压降，（VCE(sat)=2.1V），最佳开关频率范围为1KHz－8KHz。“DLC”系列是适用于变频器等频率较低的应用场合。后来Infineon／EUPEC又推出短拖尾电流、高频“KS4”系列。“KS4”系列是在“DN2”的基础上，开关频率得到进一步提高，最佳使用开关频率为15KHz－30KHz。最适合于逆变焊机，UPS，通信电源，开

6、关电源，感应加热等开关频率比较高（fK≥20KHz）的应用场合。在这些应用领域，将逐步取代“DN2”系列。EUPEC用“KS4”芯片开发出H—桥（四单元）IGBT模块，..其特征是内部封装电感低，成本低，可直接焊在PCB版上（注：这种结构在变频器应用中早已成熟，并大量使用）。总之，EUPECIGBT模块中“DN2”、“DLC”、“KS4”采用NPT工艺，平面栅结构，是第二代NPT-IGBT。三、IGBT3IGBT3－沟槽栅(TrenchGate)在平面栅工艺中，电流流向与表面平行时，电流必须通过栅极下面的

7、p阱区围起来的一个结型场效应管（JFET），它成为电流通道的一个串连电阻，在沟槽栅结构中，这个栅下面的JFET通过干法刻蚀工艺消除了，因此形成了垂直于硅片表面的反型沟道。这样IGBT通态压降中剔除了JFET这部分串联电阻的贡献，通态压降可大大降低。Infineon／EUPEC1200VIGBT3饱和压降VCE(sat)＝1.7V。电场终止层（FieldStop）技术是吸收了PT、NPT两类器件的优点。在FS层中其掺杂浓度比PT结构中的n＋缓冲层掺杂浓度低，但比基区n—层浓度高，因此基区可以明显减薄（可以减

8、薄1/3左右），还能保证饱和压降具有正温度系数。由于仍然是在区熔单晶硅中（没有外延）制作FS层，需进行离子双注入，又要确保饱和压降的正温度系数，工艺难度较大。图1.3沟槽栅＋FSIGBT结构图 EUPEC第三代IGBT有两种系列。后缀为“KE3”的是低频系列，其最佳开关频率为1K－8KHz。1200VIGBT饱和压降VCE(sat)＝1.7V，最适合于变频器应用。在变频器应用中，北京晶川公司在中国已完成用“KE3”系列代替“D