额定电流超过2000A 的下一代3300V BIGT HiPak模块

摘要:本文阐述一种被称作双模式绝缘栅晶体管（Bimode Insulated Gate Transistor，缩写为BIGT）的所采用的逆导IGBT概念在实用化方面的进展。介绍了一种采用BIGT技术制造的额定电流超过2000A的3300V HiPak模块，给出了静态、动态特性的测试结果以及相关参数，这反映出采用新技术后器件的基本性能将要达到的水平。本文还涉及器件的安全工作区、软度、可靠性等其他方面的性能，测试时的结温最高达到150℃。此外，首次给出了在硬开关频率条件下的BIGT的性能。

1引言

从传统意义上说，制造一个带有内集成二极管的逆导（RC）晶体管的目标是，通过去掉一个分立的反并联二极管，来实现在给定的封装管脚尺寸内获得更大的功率。近年来这一方案已经在中电压（600V-1200V）IGBT中实现，并且主要用于小电流和/或软开关领域^[1][2][3]。最近也有3300V RC-IGBT的相关报道^[4][5]，这表明这一技术在高压领域也是可行的。所制造的新器件称为双模式绝缘栅晶体管（BIGT）。

BIGT是一种先进的逆导IGBT器件概念，主要目标是提高高压IGBT的功率密度以适应下一代电力电子系统的需要。新器件可以工作在续流二极管模式和（IGBT）晶体管模式，并且在这两种模式下导电区域是相同的。所以使用BIGT技术的目标是彻底实现用BIGT单芯片来替代现有的IGBT/二极管双芯片，并且提高整体性能，尤其是在硬开关条件下能呈现出功耗低、开关软度大和安全工作区宽的特性。

通过采用先进的短路集电极背面版图设计、优化的掺杂分布和受控的寿命削减，使器件在IGBT和二极管两种模式下都能够实现最佳性能，因而BIGT研发在器件性能方面取得了显著的突破。本文报道了封装在两种HiPak模块中的3.3kV BIGT的最新电学测试结果（测试中最高结温为150℃）。此外，本文还将首次介绍在硬开关条件下BIGT模块的频率测试结果。同时，还给出150℃下的高温反偏试验等芯片级可靠性试验结果。

2 BIGT概念

BIGT是一个混合结构，它将一个IGBT和一个RC-IGBT集成在一个芯片内，如图1所示。

图1 BIGT截面图

这种集成的主要目标是消除低温时晶体管导通模式下的折回现象，这是通过确保BIGT中IGBT区的P+集电区在低压和小电流时发生空穴注入来实现的。当带有穿通型缓冲层设计的薄片结构做成标准的RC-IGBT时发生折回现象更明显，对这类器件而言，BIGT概念的优化作用更显著。

BIGT的背面版图设计和IGBT区的尺寸确定是经过优化的，以便能够使芯片全面导通时有一个光滑的过渡（RC-IGBT区在大电流下也有空穴注入），使RC-IGBT区（也是二极管导通区）最大化，使电流非均匀性最小化（尤其是在开关过程中由集成结构造成的电流不均匀）。另外，IGBT区的引入可以使RC-IGBT区的版图优化只针对增大二极管导通面积独立进行，并且可以使BIGT在晶体管导通时充分利用整个芯片面积，从而与当前最先进的IGBT芯片一样具有相同的技术曲线。与标准RC-IGBT设计相比，BIGT概念可以在上述参数间形成更好的折衷。另一方面，为了降低动态和开关损耗，BIGT优化遇到的主要挑战是：在实现二极管模式下低恢复损耗的同时，对晶体管模式下通态损耗没有显著影响。这一目标通过以下三个步骤实现。

第一步是对发射极P阱元胞和集电极P+/N+区掺杂的精细控制。如图1所示，增强的平面型(EP)元胞技术^[6]不包括高掺杂P+阱区域，而且N增强层还产生补偿效应。这两个特征使我们有机会利用精细的P阱掺杂分布获得低注入效率以实现更好的二极管性能，与此同时还能保持EP设计下IGBT的典型低功耗。第二步优化是采用局域P阱寿命（LpL）控制技术(参见图1 顶部)。该技术利用精确控制的粒子注入进一步减小二极管反向恢复寿命，同时又不使晶体管损耗和阻断特性变差。第三步是采用质子辐照实现均匀的局域寿命控制以进一步降低反向恢复功耗。

3 3.3kV BIGT

BIGT技术主要针对高压器件开发。本文报告的是一个3300V/62.5A BIGT芯片，其有源区面积为1cm²。利用该芯片制造的大电流3.3kV HiPak1 （140×130）mm和HiPak2（140×190）mm BIGT模块与当前最先进的IGBT模块在相近条件下进行了对比测试，如图2所示。

图2 3300V BIGT 模块测试电路

图3对比了一个常规的IGBT/二极管基底和一个新型的BIGT基底，前者包含4个IGBT芯片和2个二极管芯片，后者包含6个BIGT芯片。通过以下事实可以清楚看出BIGT的优势：包含有4个BIGT基底（共24个BIGT芯片）的HiPak1模块在实际应用中可以替代一个体积更大的1500A  HiPak2 SPT+ IGBT模块，后者通常包括6个基底（共24个IGBT芯片和12个二极管芯片）。体积更大的常规IGBT模块还有一个更糟糕的缺点就是其二极管面积偏小，这对工作于整流模式和抗浪涌电流能力来说都是一个限制因素。另一方面，体积更大的HiPak2 BIGT模块包含了一共36个BIGT芯片，其额定电流可高达2250A。

图3 3300V HiPak1基底，左为BIGT基底，右为IGBT/二极管基底

4电学性能

在标称条件下和SOA条件下对3.3kV HiPak BIGT模块进行了电学特性测试，包括静态和动态两种特性。对于动态特性其直流链路电压标称值为1800V，而在SOA测试中，该电压值升至2400V。在所有动态测试中RGon和RGoff分别固定为1.0Ω和1.5Ω，并且在栅-发射极之间并联了一个220nF的电容C_ge。测试结果如下。

4.1静态特性

BIGT的IGBT模式和二极管模式下的通态特性见图4，包含25℃和125℃两个测试温度。这是对标称375A的一个BIGT基底进行测试得到的结果。在IGBT模式和二极管模式下，当电流达到标称375A时，其125℃下通态压降都为3.5kV。两种模式即使在很小电流下其曲线均呈现出强烈的正温度系数特性，这归因于BIGT结构中优化的发射极注入效率和寿命控制。正温度系数有利于芯片的安全并联。

图4 3300V BIGT基底通态特性

4.2标称条件下的开关特性

图5和图6分别给出了3.3kV HiPak1 BIGT模块和HiPak2 SPT+ IGBT模块的关断和开通波形，测试条件为标称条件：V_DC=1800V，I_C=1500A ,T_j=125°C。同时也给出了模块的开关损耗。观察这些波形可以将BIGT模块在IGBT模式下和二极管模式下的开关行为与当前最先进的IGBT模块进行对比。关于标称条件下反向恢复特性的类似比较在图7中给出，其中di/dt均超过了6kA/us。

图5  3300V BIGT HiPak1（上：E_off=2.8J）和SPT+ IGBT HiPak2（下：E_off=2.7J）在标称条件下的关断波形

图6  3300V BIGT HiPak1（上：E_on=2.2J）和SPT+ IGBT HiPak2（下：E_on=1.9J）在标称条件下的开通波形

图7 3300V BIGT HiPak1（上：E_rec=2.3J）和SPT+IGBT HiPak2（下：E_rec=2.2J）在标称条件下的反向恢复波形

4.3软度特性

新BIGT技术在IBGT模式和二极管模式下都天然地具有极软的开关行为^[5]。在两种模式下关断拖尾阶段，优化的集电极P+掺杂可以使通往N+区的电子产生一个横跨PN结的电势，从而强加一个向基区的受控的电荷抽取或空穴注入。图8给出了HiPak1 BIGT模块和SPT+ HiPak2 IGBT模块在I_C=500A，V_DC=2400V，T_j=125℃关断软度。相应的反向恢复软度特性在图9中给出，其中测试电流是很小的50A，V_DC =2400V，T_j=125℃。

图8 3300V BIGT HiPak1 （上）和SPT+IGBT HiPak2（下）的关断软度

图9 3300V BIGT HiPak1 （上）和SPT+IGBT HiPak2（下）的反向恢复软度

这一特征对于BIGT技术的实用化具有特别重要的意义，因为如果针对BIGT二极管工作模式的设计是非优化的，其软度预计会下降，且二极管的面积也会增加。

4.4 SOA特性

下面将给出T_j=150℃下的SOA开关性能，以体现BIGT模块的稳固性。图10 给出了电流3000A，V_DC=2400V下的关断波形。相同条件下的反向恢复波形由图11给出。

图10 150℃下3300V BIGT HiPak1 SOA关断波形。峰值功率=7.9MW

图11 150℃下3300V BIGT HiPak1 SOA反向恢复波形。峰值功率=3.5MW

BIGT HiPak1 模块在150℃、V_DC=2400V下的短路特性由图12给出。BIGT显示出了坚固的短路特性，在上述条件下的平均短路电流为6500A。

图12 150℃下3300V BIGT HiPak1短路波形

4.5 3.3kV/2250A HiPak2 BIGT

本节我们将给出3.3kV HiPak2 BIGT模块的开关测试结果，这一模块的电流额定值预计可达2250A。所有测试在150℃下进行。标称条件下的关断和反向恢复波形在图13和图14 中分别给出。相应的SOA关断波形见图15，测试条件为电流4500A，V_DC=2400V，温度150℃。另一方面，SOA反向恢复波形在图16中给出，该波形在3000A电流下形成最大峰值功耗。

图13 150℃下3300V BIGT HiPak2标称条件下关断波形。E_off=4.5J

图14 150℃下3300V BIGT HiPak2 标称条件下反向恢复波形。E_off =3.2J

图15 150C下3300V BIGT HiPak2 SOA关断波形。峰值功率=12MW

图16 150C下3300V BIGT HiPak2 SOA反向恢复波形。峰值功率=4.2MW

5频率及可靠性测试

利用图17 所示的H桥测试电路首次对3.3kV HiPak1 BIGT模块进行了PWM频率测试。在约30分钟的测试时间内最高结温为120℃，测试采用了三种工作频率：500Hz，1000Hz，1500Hz。如图18所示，测试直流链路电压为2100V，峰值电流可达800A。

图17 DC-AC 变换H-桥电路结构图

图18 BIGT模块频率测试中的PWM电压-电流波形图

频率测试的这些结果首次展示出在硬开关条件下单个芯片在IGBT和续流二极管两种模式下工作的可行性^[7]。

此外还进行了BIGT芯片的可靠性试验。BIGT成功的通过了高温反偏（HTRB）应力试验，反偏电压为2640V，在125℃下持续168小时，接着在150℃下进行第二个168小时。另外，还通过了测试条件为V_ge=25V、温度150℃、持续168小时的高温栅偏（HTGB）试验，以及测试条件为V_ge=25V、V_ce=80V，持续168小时、湿度85%的加湿（HAST）试验。

6结论

BIGT技术的实用化为未来要求有紧凑的系统、更高的功率等级的高压应用提供了一个潜在的解决方案，而常规的双芯片的方案被证明不能满足这种高压应用需求。本文报道了最新的额定电流超过2000A的3300V BIGT HiPak模块的测试结果，展望了新技术的潜力和基本性能水平，随着BIGT进入到产品开发阶段，这一潜力和性能水平有望得以实现。

参考文献

[1]H.Takahashi et al.1200V Reverse Conducting IGBT.Proc.ISPSD,04:133.

[2]H.Ruthing et al.600V RC-IGBT for Drives Applications in Ultra-Thin wafer Technology.Proc.ISPSD,06:89.

[3]S.Voss et al.Anode Design Variations in 1200V Trench Field-Stop RC-IGBTs.Proc.ISPSD,08:169.

[4]M.Rahimo et al.A High Current 3300V Module Employing RC-IGBTs Setting a New Benchmark in Output Power Capability.Proc.ISPSD,08:68.

[5]M.Rahimo et al.Realization of Higher Output Power Capability with the Bi-Mode Insulated Gate Transistor(BIGT).EPE,09.

[6]M.Rahimo et al.Novel Enhanced-Planar IGBT Technology Rated up to 6.5kV with Lower losses and Higher SOA Capability.Proc.ISPSD,06.

[7]H-G Eckel.Potential of Reverse Conducting IGBTs in Voltage Source Inverters.Proc.2009,PCIM:334.