IGBT技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
IGBT是新型電力電子器件的主流器件之一,國外IGBT已發(fā)展到第三代。 IGBT在設計上將MOS和雙機型晶體管結合起來,在性能上兼有雙極型器件壓降小、電流密度大和MOS器件開關快、頻率特性好的雙重優(yōu)點;在制造業(yè)上,在高電壓、大電流的晶閘管制造技術基礎上采用了集成電路微細加工技術。目前國外生產(chǎn)IGBT的公司有:日本的三菱、東芝、富士、日立;美國的IR、IXYS、SGS、THOMSONS、MOTOROLA;德國的西門子等。
產(chǎn)品主要分為四類:(A)單獨的IGBT:電流15~400A,電壓400~1200V;(B)半橋IGBT:電流15~75A,電壓500~1000V;(C)全橋IGBT:電流18~32A,電壓400~500V;(D) 三相IGBT:電流15~100A,電壓400~1200V。IGBT產(chǎn)品已模塊化,每個IGBT都并聯(lián)續(xù)流二極管,然后以一單元、二單元、六單元形式封裝在同一模塊外殼內。低功率IGBT應用范圍一般都在600V、1kA、1kHz以上區(qū)域,為滿足家電行業(yè)的發(fā)展需求,摩托羅拉、ST半導體、三菱等公司推出低功率IGBT產(chǎn)品,適用于家電行業(yè)的微波爐、洗衣機、電磁灶、電子鎮(zhèn)流器、照相機等產(chǎn)品的應用。
近幾年來,我國開發(fā)出IGBT及其模塊,填補了我國IGBT器件的空白。進入90年代,IGBT耐壓水平、電流容量和性能迅速提高。IGBT的耐壓水平正向4500V方向發(fā)展,電流容量向2000~2500A發(fā)展。由IGBT構成的功率集成電路發(fā)展很快,智能化模塊(IPM)研究水平達到400A,1200V。
家電領域IGBT單管和模塊的大規(guī)模集成式產(chǎn)業(yè)化技術主要參數(shù)指標如下:
UCES=1200V, IC=5A~50A;
UCES(SAT)<3.4V(IC=300A時);
TON<750ns;TR<250ns;TOFF<1μS;
耗散功率2kW (25℃以下)。
家電領域的加熱電器主要技術指標:
電源:3相380V50Hz;
輸出功率:1kW、2kW、3kW、5kW;
工作頻率:5~10kHz、10~20kHz、25~50kHz;
啟動成功率:100%;
輸出功率穩(wěn)定度:電源電壓變動±10%時,輸出變化不大于±1%;
效率:≥75%。
IGBT技術的研發(fā)趨勢
1、加工工藝更精細
在開發(fā)IGBT的技術中,隨著產(chǎn)品的更新?lián)Q代,制造技術不斷提高,精細加工也成為可能。現(xiàn)在,功率器件主要采用1μm以下的加工尺寸。
IGBT變遷與特性改進(標準特性)
從上表中可以看出每一代產(chǎn)品UCE(sat)及tf的標準特性。隨著從第一代向第四代的進化,估計UCE(sat)可降低50%,tf可提高50~60%。
2、采用溝槽式柵極結構縮小芯片尺寸
從第三代向第四代發(fā)展過程中,通過從芯片表面向芯片內部溝槽式形成柵極,因為柵極的制作是從芯片表面向芯片內部挖一條溝,故將此結構稱為溝槽結構。由于柵極溝槽化,使單胞單元尺寸縮小到原來的1/5。降低了MOSFET的溝道電阻,提高了單位芯片面積的電流密度。能制造同樣額定電流而芯片尺寸最小的產(chǎn)品。
3、采用新材料改進產(chǎn)品特性
下一代IGBT的發(fā)展趨勢之一是采用替代Si的新型材料改進產(chǎn)品特性。第二是通過壽命時間控制法,局部制作窗口,減少UCE(sat)的依賴特性,不提高UCE(sat)就能使開關特性達到高速化。第三是借助精細加工降低MOS部分的溝道電阻。利用這些方式,就能使開關特性與MOSFET相同,UCE(sat)與晶閘管相同的狀況成為現(xiàn)實。
IGBT 研發(fā)新進展
IGBT(絕緣柵雙極晶體管)作為新型電力半導體場控自關斷器件,集功率MOSFET的高速性能與雙極性器件的低電阻于一體,具有輸入阻抗高,電壓控制功耗代,控制電路簡單,而高壓,承受電流大等特性,在各種電力變換中獲得極廣泛的應用。各半導體生產(chǎn)廠商不斷開發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠、低成本技術,主要采用1μm以下制作工藝,研制開發(fā)取得一些新進展。
U—IGBT。U(溝槽結構)—IGBT是在管芯上刻槽,芯片元胞內部形成溝槽式柵極。采用溝道結構后,可進一步縮小元胞尺寸,減少溝道電阻,提高電流密度,制造相同額定電流而芯片尺寸最小的產(chǎn)品?,F(xiàn)有多家公司生產(chǎn)各種U—IGBT產(chǎn)品,適用低電壓驅動、表面貼裝的要求。
NPT—IGBT。NPT(非穿通型)—IGBT采用薄硅片技術,以離子注入發(fā)射區(qū)代替高復雜、高成本的厚層高阻外延,可降低生產(chǎn)成本25%左右,耐壓越高成本差越大,在性能上更具特色,高速、低損耗、正溫度系數(shù),無鎖定效應,在設計600~1200V的IGBT時,NPT—IGBT可靠性最高。西門子公司可提供600V、1200V、1700V系列產(chǎn)品和6500V高壓IGBT,并推出低飽和壓降DLC型NPT—IGBT,依克賽斯、哈里斯、英特西爾、東芝等公司也相繼研制出NPT—IGBT及其模塊系列,富士電機、摩托羅拉等在研制之中,NPTS型正成為IGBT發(fā)展方向。
SDB—IGBT。鑒于目前廠家對IBGT的開發(fā)非常重視,三星、快捷等公司采用SDB(硅片直接鍵合)技術,在IC生產(chǎn)線上制作第四代高速IGBT及模塊系列產(chǎn)品,特點為高速,低飽和壓降,低拖尾電流,正溫度系數(shù)易于并聯(lián),在600V和1200V電壓范圍性能優(yōu)良,分為UF、RUF兩大系統(tǒng)。
超快速IGBT。國際整流器IR公司的研發(fā)重點在于減少IGBT的拖尾效應,使其能快速關斷,研制的超快速IGBT可最大限度地減少拖尾效應,關斷時間不超過2000ns,采用特殊高能照射分層技術,關斷時間可在100ns以下,拖尾更短,重點產(chǎn)品專為電機控制而設計,現(xiàn)在6種型號,另可用在大功率電源變換器中。
IGBT/FRD。IR公司在IGBT基礎上推出兩款結合FRD(快速恢復二極管)的新型器件,IGBT/FRD有效結合,將轉換狀態(tài)的損耗減少20%,采用TO-247外型封裝,額定規(guī)格為1200V、25、50、75、100A,用于電機驅動和功率轉換,以IGBT及FRD為基礎的新技術便于器件并聯(lián),在多芯片模塊中實現(xiàn)更平均的溫度,提高整體可靠性。
IGBT功率模塊。IGBT功率模塊采用IC驅動,各種驅動保護電路,高性能IGBT芯片,新型封裝技術,從復合功率模塊PIM發(fā)展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發(fā)展,其產(chǎn)品水平為1200~1800A/1800~3300V,IPM除用于變頻調速外,600A/2000V的IPM已用于電力機車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術是大電流IGBT多芯片并聯(lián)的關鍵工藝,美國海軍開發(fā)出以IGBT模塊為有源器件的PEBB,用于艦艇上的導彈發(fā)射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術組裝PEBB,大大降低電路接線電感,提高系統(tǒng)效率,現(xiàn)已開發(fā)成功第二代IPEM,其中所有的無源元件均以理層方式掩埋在襯底中,智能化、模塊化正成為IGBT發(fā)展熱點。 (責編 連小衛(wèi))
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