GBT和二極管性能的下一次飛躍

未來一代IGBT模塊將采用增強型溝道ET-IGBT和場充電提取（FCE）二極管，能夠提供更高水平的電氣性能，包括低損耗、良好的可控性、高耐用性和軟二極管反向恢復等方面。

盡管，過去二十年絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和反并聯二極管已經經歷了重大突破，相對于導致器件整體性能明顯飛躍的器件工藝和設計理念，進一步開發工作正在進行中，為的是實現新水平的更高功率密度、更好的操控性和耐用性。在這篇文章中，我們首先將簡要地討論目前IGBT和二極管的發展趨勢，同時專注于下一代技術；即增強型溝道IGBT（ET-IGBT）和場充電提取（Field Charge Extraction，FCE）二極管。然后，將展示新的器件概念和它們在3.3 kV電壓等級的電性能。

IGBT和二極管的未來發展趨勢

目前，IGBT的三個主要發展趨勢都瞄準（a）增強型溝道ET-IGBT的更高功率密度，（b）高于傳統125℃的更高的工作溫度，和（c）IGBT/二極管集成解決方案，被稱為反向導通RCIGBT或雙模式絕緣柵晶體管（BIGT）。在BIGT情況下，單個芯片方法提供了改進的性能，尤其是對由于取決于給定應用要求的可用二極管面積的限制。然而，傳統IGBT/二極管雙芯片方法仍然是許多主流應用的重要發展路徑。如今，具有相似損耗性能的最先進的高電壓器件，在軟穿通（SPT）結構中采用了增強型平面IGBT（EP-IGBT）或溝道IGBT MOS單元概念。然而，對于低于2 kV的額定值來說，除了溝道IGBT，先進ET-IGBT已經是一個成熟的技術。此外，ET-IGBT概念也能夠為高壓IGBT提供下一個步驟的損耗減少。圖1展示了一個3300 V IGBT的導通狀態Vce（sat）損耗的減少，相當于在相同體積SPT平臺上用新的ET-IGBT MOS單元實現了相同關斷損耗（Eoff）。然而，必須指出的是，基于溝道的IGBT，特別是對較高額定電壓，相對于可導致IGBT導通期間最佳開關性能不太可控的基于平面的器件，它表現出一種固有的高有效柵極輸入電容。克服了這種不利方面，結合ET-IGBT的更低損耗，將為下一代高電壓IGBT提供理想的解決方案。

對于快速二極管器件，損耗和反向恢復軟度仍然是匹配新的ET-IGBT性能的關鍵性能指標。場充電提取（FCE）概念表明，極端開關條件下的軟恢復性能加上低損耗都可以實現，同時對其他電氣參數沒有影響。

圖1：3.3kV IGBT通態壓降和關斷損耗之間的權衡曲線。增強型溝道（ET）和增強型平面（EP）結構的比較。

ET-IGBT概念

為了降低損耗，實現針對溝道發射極附近靶向增強載流子濃度的ET-IGBT概念所遵循的主要方法，基于有n增強層的條紋（striped）有源溝道MOS單元的引入。為了減少有效輸入電容來提高開關可控性，重點是有源單元之間區域的優化，這大大提高了開關期間的器件有效輸入電容值。通過消除有源單元之間的柵區，如圖2中橫截面所示，相比最先進溝道IGBT設計，我們實現了一個低有效柵極發射輸入電容，同時提供了最佳的反向阻斷能力。相比EP-IGBT所產生的額定電流，3.3 kV ET-IGBT較低的導通狀態損耗提供了增加額定電流20％的能力。

圖2：ET-IGBT MOS單元概念。

圖3：組合的FCE和FSA概念（a）和（b）橫截面，（c）摻雜分布.

FCE二極管概念

對于新的二極管，與現有設計相比，采用了場充電提取（FCE）概念和成熟的場屏蔽陽極（FSA）設計的組合，如圖3所示。n基極的厚度對于整體損耗的產生起著關鍵作用，其中的低損耗二極管需要一個薄n基極設計。然而，n基極區域厚度的進一步削減通常受限于所得到的二極管的瞬間反向恢復行為。通過在二極管的陰極側引入小p摻雜區域（如圖3），在恢復階段實現了一個場致載流子注入過程，這將生成固有的軟二極管。因此，3.3 kV額定二極管的n基極可以減薄10％，同時通過增加電阻率來保持阻斷能力，而不損害軟反向恢復。這種方法的好處是改善了20％技術曲線。此外，由于反向恢復期間沒有大過沖電壓，這些固有的軟二極管魯棒性得到了改善。

3.3 kV ET-IGBT模塊原型

3.3 kV ET-IGBT和FCE二極管芯片是用約1平方厘米的有源區域制造的，每個IGBT芯片都有75 A的定義額定值，二極管為150 A。芯片被用在標準高電壓絕緣模塊（140×70平方毫米）中，采用如圖4所示的雙配置。雙封裝中每個IGBT/二極管器件都包括4×ETIGBT和2×FCE二極管的單襯底。模塊所產生的電流額定值為300 A，而如今的等效EP-IGBT為250 A。

圖4：在25℃和150℃時，300A/3.3kV ET-IGBT模塊輸出IV特性。

模塊在靜態和動態條件下進行了電性測試。圖4示出了ET-IGBT在25℃和150℃的導通狀態特性，并與EP-IGBT進行了比較。ET-IGBT模塊顯示出比EP-IGBT低非常多的靜態損耗，以及芯片安全并聯的強大正溫度系數。在300 A額定電流下，150℃ ET-IGBT設計有2.75 V的Vce（sat），EP-IGBT則為3.55 V。

圖5分別示出了ET-IGBT和參考EP-IGBT的標稱關斷和導通開關波形。試驗條件保持相同，以更好地評估器件的性能。在150℃下，這些器件在施加的1800 V DC鏈路電壓和300 A額定電流下進行開關，柵極發射極電容為47 nF。雜散電感為600 nH，關斷柵極電阻為9Ω，而每個設計的導通柵極電阻有所不同。ET-IGBT的關斷損耗（Eoff）約在650mJ，EP-IGBT則為600mJ。但是，得到的導通損耗（Eon）變化較大，盡管有不同的柵極電阻，其ET-IGBT是在860 mJ，EP-IGBT為910 mJ。所有測試器件的總開關損耗大致都在同一水平，略低于1.5 J。FCE二極管反向恢復性能也可以在IGBT導通波形中看出。針對柵極電阻的變化繪制的導通參數（Icmax、Eon和di/dt）的ET-IGBT可控性示于圖6。

圖5：300A/3.3kV模塊關斷（左）和導通（右）波形（1800V，300A，150℃）。

圖6：改變導通參數（1800V，300A，150℃）柵極電阻的影響。

FCE二極管柔軟度也根據同樣的電路設置進行了測試，但在臨界柔軟度條件下有15 A的較低電流和25℃的較低溫度，如圖7所示。FCE二極管清楚地顯示了在這些極端條件下相比標準二極管非常軟的恢復性能，出現了一個典型電流階躍（snap-off）以及相關高電壓過沖。

ET-IGBT關斷和短路SOA性能

在高電流和電壓條件下測試了兩個并聯芯片的關斷（RBSOA）行為。對于RBSOA，ETIGBT針對2500 V的高DC鏈路電壓進行了測試，在25℃和125℃下，最大達到的開關電流是額定電流的約5倍和4倍，分別如圖8所示。在25℃下，器件進入并承受稱為動態雪崩和開關自鉗位模式（SSCM）的應力條件。在125℃溫度下，由于較高水平的載流子濃度，器件如期經歷了更強的動態雪崩，這導致了一個較低但仍然足以關斷的能力。

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