SPT芯片结构高压IGBT模块在SOA上的新基准-苑莉

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1、SPT芯片结构的HiPak™高压IGBT模块在SOA上的新基准M.Rahimo,A.Kopta,E.CarrollABBSwitzerlandLtd,Semiconductors,Fabrikstrasse3,CH–5600Lenzburg,Switzerland摘要：本文中，出现了新的高压HiPak™IGBT模块系列(电压额定值从2.5kV到6.5kV)。我们证实了这些HiPak™模块，应用了ABB最新研制的HVSPTIGBT和二极管技术，使得其SOA第一次达到破纪录的最高。新元件整体的电特性都很优异，可以承受关断和短路这样极端的工作条件。因此，对于给定的电压等级，我们制

2、定了其在SOA工作能力的最新基准。HiPak™highvoltageIGBTmoduleswithSPTchipssettingnewstandardsinSOAperformanceAbstract:Inthisarticle,thenewhighvoltageHiPakTMIGBTmodulefamilywithvoltageratingsrangingfrom2.5kVto6.5kV,ispresented.Forthefirsttime,therecord-breakingSOA(SafeOperatingArea)oftheseHiPak™modulesusing

3、ABB’snewlydevelopedHVSPTIGBTsanddiodesisdemonstrated.Thenewdeviceshaveexcellentoverallelectricalcharacteristicsandarecapableofwithstandingextremeconditionsduringturn-offandshortcircuitoperationtherebysettingnewstandardsinSOAcapabilityforagivenvoltageclass.41引言IGBT和二极管的发展趋势是SOA的范围越来越宽。原因是许多

4、应用中，元件在硬开关条件下工作。如：牵引、工业驱动和高压直流输电(HVDC)。与低压和中压元件(额定值低于2000V)相比，以前的高压元件的SOA能力较低。这是因为元件结构上的物理限制和它承受了更苛刻的工作条件所致(主要是在更高的直流环节电压方面)；并且，要折衷考虑损耗和SOA能力，进一步限制了高压元件的设计。为确保高压元件不会超过其SOA的限制，元件制造商和系统设计者不得不考虑许多工作条件的限制，例如大的门极电阻或电压箝位。这一点需要根据大功率电子系统的性能、尺寸和成本，来增加(用于保护、控制和减少额定值)元件数，这只是一种次优的设计。图1为HVIGBT模块电流HiPak

5、TM系列的两种标准的外形图。图1：2500V-6500VSPTIGBT和二极管技术的最新HiPak™工业标准封装图我们将在后面证明，这种产品体系建立了高可靠应用方面(如牵引)耐用的新基准。耐用性说明了其有更高的安全工作区和在关断时低的门极驱动电阻。反过来，允许更低的关断损耗。利用SPT(软穿通)芯片技术，它的开关过程更平滑，使得用户设计使用时更加自由，不必过分考虑在关断时的dv/dt或尖峰电压限制。本文中首次解决了这一难题。对高压SPT-IGBT来说，不仅存在临界的，从前不能证实的动态雪崩阶段，而且也存在与之相随的静态雪崩。以前，这种情况只出现在低压MOSFETs元件中。如

6、图2所示，这些新的模块扩展了SOA限制，是大功率高压变换器的设计者们期盼已久的，可以方便使用的新元件。图2：扩展了SOA限制的HV-IGBTs和二极管新模块的SOA能力如图中灰色区域，对用户来说，与传统可用的模块相比，有双重的优点：首先，系统可以有更大的安全工作区。其次，如图中所示的绿色的SOA，提供了新的范围更大的参数限定。2高压芯片组技术为了使IGBT和二极管达到很好的静态和动态特性，最新的IGBT和二极管技术采用了软穿通的概念。这种方法与从前的技术相比，大大的减少了整体元件的损耗。4增加了一个深的、低掺杂的SPT缓冲层，使元件与NPT结构设计相比，总厚度减薄了20%。

7、SPT缓冲层能确保像这样的元件维持软关断的特性。当芯片使用在如HiPak™的大电流模块中，，这是必须的。大功率、高电压电路不可避免的有很大的寄生电感，它将在元件关断的时候引起电压尖峰和大的振荡，并诱发电磁干扰(EMI)。SPT除了这些明显的优点外，还表明SPT技术可以使IGBT和二极管的SOA均有大的增加。HV-IGBT的设计平台利用一个先进的、极为可靠的平面单元设计，防止了闩锁效应，使SOA增加。SPTIGBT的输入电容设计可以提供对开通di/dt很好的控制，di/dt是门极电阻的函数，在门极-发射极端不需要额外