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當(dāng)涉及到高可靠性要求的大功率應(yīng)用時(shí)，傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)封裝HVIGBT模塊仍然是較好的選擇。本文解釋了選擇標(biāo)準(zhǔn)封裝的原因以及如何通過各種創(chuàng)新技術(shù)使其產(chǎn)品性能提升一個(gè)層次。

Nils Soltau1, Eugen Stumpf1, Junya Sakai2, Hitoshi Uemura2

1：三菱電機(jī)歐洲有限公司

2：三菱電機(jī)功率器件制作所

摘要

20世紀(jì)90年代后期，2500V和3300V等高額定電壓的IGBT功率模塊開始開發(fā)和商用。最初，這些HVIGBT被設(shè)計(jì)為GTO的替代品，用于大功率和高可靠性要求的應(yīng)用場合，例如鐵路牽引逆變器^[1]。隨后也在其它許多大功率場合開始應(yīng)用。

當(dāng)時(shí)采用的元件封裝與現(xiàn)在HVIGBT功率模塊具有相同的外形。也就是廣為熟知的標(biāo)準(zhǔn)封裝，尺寸為190mm*140mm。

標(biāo)準(zhǔn)類型封裝的優(yōu)點(diǎn)是具有較大的電流等級。由于模塊內(nèi)部一般為單個(gè)開關(guān)器件，為復(fù)雜轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋺?yīng)用提供了很大的靈活性。三菱電機(jī)采用最新的芯片和封裝技術(shù)進(jìn)一步開發(fā)了新系列標(biāo)準(zhǔn)封裝HVIGBT。

最新的標(biāo)準(zhǔn)封裝HVIGBT采用先進(jìn)的X系列芯片組，電壓等級從1700V到6500V。圖1顯示了不同的標(biāo)準(zhǔn)封裝類型。本文展示了三菱電機(jī)開發(fā)這些功率模塊的原因和目的。與前幾代相比，這些功率模塊的效率、功率密度和魯棒性都有所提高。我們將對實(shí)現(xiàn)這一改進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

適用標(biāo)準(zhǔn)封裝HVIGBT的應(yīng)用

HVDC

考慮到大容量電力傳輸，基于IGBT功率模塊的高壓直流輸電技術(shù)已經(jīng)比較成熟。與傳統(tǒng)的基于晶閘管的傳輸系統(tǒng)相比，IGBT方案更緊湊、更靈活^[2]。在最先進(jìn)的高壓直流輸電系統(tǒng)中，直流輸電電流可以達(dá)到2kA甚至更高^[3][4]。

STATCOM

可再生能源發(fā)電在電網(wǎng)中的占比正在穩(wěn)步增加。與此同時(shí)，與二氧化碳減排目標(biāo)相關(guān)的燃煤發(fā)電占比正在下降。由于大型發(fā)電機(jī)組減少導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)慣性降低，以及可再生能源發(fā)電的波動，都給電網(wǎng)的穩(wěn)定帶來了困難。STATCOMs(靜止同步補(bǔ)償器)能夠通過提供無功功率、有源濾波、減少閃爍或穩(wěn)定頻率來穩(wěn)定電網(wǎng)。基于MMC的STATCOM是高度模塊化的^[5]，例如文獻(xiàn)^[6]提出的單個(gè)變流器支路可以提供±400MVA的感性或容性無功功率。

中壓驅(qū)動器

中壓(MV)驅(qū)動器允許在3.3kV或更高的電壓范圍內(nèi)控制大功率電機(jī)和發(fā)電機(jī)的速度。這些驅(qū)動系統(tǒng)用于海上風(fēng)力發(fā)電、研磨機(jī)、傳送帶、壓縮機(jī)或船舶推進(jìn)器。通常，這些驅(qū)動器有很高的可靠性要求。為了回收電能，雙向功率傳遞往往是強(qiáng)制性的。對于這樣的中壓驅(qū)動器，經(jīng)常使用多電平轉(zhuǎn)換器拓?fù)�，如三電�?NPC轉(zhuǎn)換器或其它五電平或者7電平拓?fù)?sup style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important;">[6]。

上述所有應(yīng)用都有一個(gè)共同點(diǎn)，即它們都需要具有較大電流能力的IGBT功率模塊。此外，終端客戶對變換器的可靠性和半導(dǎo)體功率模塊的魯棒性有很高的要求。特別是當(dāng)考慮3電平、5電平或7電平變換器拓?fù)鋾r(shí)，疊層母排設(shè)計(jì)變得具有挑戰(zhàn)性。因此，半導(dǎo)體功率模塊應(yīng)為變流器設(shè)計(jì)提供盡可能多的自由度。

上面的三個(gè)例子表明標(biāo)準(zhǔn)封裝仍然是很多應(yīng)用的首選。在130×140mm²的封裝中，標(biāo)準(zhǔn)封裝功率模塊輸出電流可以達(dá)到2400A。此外，該封裝在幾十年的現(xiàn)場運(yùn)行中被證明是合適的。標(biāo)準(zhǔn)封裝最初的特點(diǎn)是內(nèi)置單個(gè)開關(guān)功率器件。在變流器設(shè)計(jì)中，單個(gè)開關(guān)允許最大的自由度，這對于多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)尤其重要。另一個(gè)用途是開發(fā)或完善現(xiàn)有的變流器平臺。新的標(biāo)準(zhǔn)封裝功率模塊的外形與前幾代功率模塊兼容。因此，切換到較新的一代HVIGBT模塊是很容易實(shí)現(xiàn)的。新一代HVIGBT模塊允許更高的輸出電流、更高的功率循環(huán)能力和對濕度的魯棒性。圖2說明了X系列HVIGBT模塊可以將輸出電流增加50%或?qū)⒊叽鐪p小到2/3。

圖2 與之前的H系列相比，新的X系列輸出電流和緊湊性得到了改進(jìn)

X系列標(biāo)準(zhǔn)封裝功率模塊技術(shù)特點(diǎn)

CSTBT (III) and RFC二極管

這一代高壓功率模塊利用了第7代芯片的所有優(yōu)勢，IGBT采用了CSTBT (III)（Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor）芯片技術(shù)，續(xù)流二極管采用RFC (Relaxed Field of Cathode)結(jié)構(gòu)。這兩種芯片技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)通態(tài)損耗、開關(guān)損耗的降低和增強(qiáng)的開關(guān)性能，同時(shí)擴(kuò)展了魯棒性、低損耗和SOA這三項(xiàng)技術(shù)邊界。

CSTBT是三菱電機(jī)的注冊商標(biāo)。CSTBT技術(shù)是IGBT溝槽柵結(jié)構(gòu)的改進(jìn)技術(shù)。三菱電機(jī)1994年提出的溝槽柵結(jié)構(gòu)功率器件，與平面柵IGBT相比^[7]，可以降低通態(tài)電壓以及增強(qiáng)抗閂鎖性能。溝槽柵IGBT的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是消除寄生JFET電阻。該技術(shù)與LPT(Light Punch Through)技術(shù)相結(jié)合，可以顯著降低IGBT的V_CE(sat)。

CSTBT在柵極溝槽之間的p基區(qū)下面插入n層，n層用于儲存載流子，因此，CSTBT結(jié)構(gòu)中載流子分布就和PIN二極管一樣。少子濃度增加，通過復(fù)合，進(jìn)一步減少通態(tài)損耗^[8]。圖3是三菱電機(jī)提出的CSTBT技術(shù)與傳統(tǒng)溝槽柵技術(shù)的差異。半透明的n掩埋層增加了n-漂移層中少子的濃度。

圖3 CSTBT與傳統(tǒng)IGBT的比較

CSTBT (III)是對CSTBT技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)發(fā)展，其重點(diǎn)在于降低關(guān)斷損耗和增強(qiáng)V_GE(th)等特性參數(shù)分布的均勻性^[9]。在被SiC功率器件替代之前，這一改進(jìn)可以進(jìn)一步提升Si器件的利用率。

另一方面在續(xù)流二極管中開發(fā)并應(yīng)用RFC技術(shù)，提高了效率和可靠性。通過引入“輕穿透(LPT) II”和“控制載流子層(Controlling Carrier-Plasma Layer，CPL)” 等技術(shù)^{[10] [11] [12]}，提高了動態(tài)魯棒性和恢復(fù)柔軟度兩個(gè)特性。圖4顯示了芯片背面LPT（II）緩沖層，主要用于提高二極管的柔軟性，改善EMC特性，從而提高整個(gè)功率模塊的魯棒性。

圖4 RFC二極管結(jié)構(gòu)

RBSOA能力

HVIGBT的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是其關(guān)斷能力。因此，需要一個(gè)寬的關(guān)斷安全工作區(qū)，稱為RBSOA(反向偏置安全工作區(qū))。通常，規(guī)定的最大關(guān)斷電流是數(shù)據(jù)表中提到的額定電流的兩倍。為了保證功率模塊在所謂浴盆曲線“使用壽命”區(qū)間低FIT運(yùn)行，實(shí)際的關(guān)斷能力必須高于規(guī)格設(shè)定值。下面的示例演示了規(guī)格值和實(shí)際能力之間的差距有多大。在本例中，使用6500V功率模塊的一部分功率單元來進(jìn)行關(guān)斷試驗(yàn)，其額定電流為330A。圖5顯示了在V_CC= 4500V，T_j=150°C的最惡劣工況下關(guān)斷電流2000A。實(shí)際關(guān)斷能力是RBSOA規(guī)格值(330Ax2)的3倍。文檔[13]中提到1000A/6500V功率模塊CM1000HG-130XA的關(guān)斷，其關(guān)斷裕度是RBSOA的4倍。

圖5 關(guān)斷波形（2us/div）

短路魯棒性

為了增強(qiáng)變換器的魯棒性和減少故障后的停機(jī)時(shí)間，IGBT功率模塊通常要求具有抗短路能力。但是，并不是每一種短路對功率模塊的影響都是一樣的。短路有不同的分類，例如，當(dāng)在IGBT開啟之前發(fā)生短路，稱為1類短路。相反，當(dāng)IGBT已經(jīng)開通并流過電流時(shí)發(fā)生短路，稱為2類短路^[14]。

圖6顯示了2類短路的測試設(shè)置。IGBT 1常關(guān)，只用于續(xù)流。IGBT 2是實(shí)際的被測器件(DUT)。“短路器”IGBT 3與短路電感L_SC一起模擬短路，L_SC大大低于負(fù)載電感L_load。開始測試時(shí)，DUT導(dǎo)通，電流增加。當(dāng)達(dá)到所需的測試電流時(shí)，打開短路器，導(dǎo)致電流急劇上升。在指定的時(shí)間后，DUT關(guān)斷。存儲在電感L_SC和L_load中的電流通過IGBT 1續(xù)流。當(dāng)電流為零時(shí)，測試結(jié)束。

圖6 2類短路測試裝置

圖7展示了6.5 kV功率模塊的短路耐受能力。試驗(yàn)采用CM1000HG-130XA的三個(gè)主端子中的一路（也即1/3模塊），對應(yīng)約330A的額定電流。在短路發(fā)生時(shí)刻，IGBT內(nèi)流過3倍的額定電流，即1000A。在短路過程中，當(dāng)IGBT發(fā)生退飽且電流不再上升時(shí)，電流達(dá)到幾乎4kA。經(jīng)過10μs后，DUT成功地關(guān)斷，并完好無損。這次測試再次證明了X系列功率模塊的高魯棒性。

圖7 使用CM1000HG-130XA 1/3部分進(jìn)行2類短路測試波形（工況：V_C_C=4200V T_j=150°C, V_GE=15V, tw=10μs, I_C (短路發(fā)生之前)=1000A (3倍額定電流)）

功率循環(huán)能力

盡管X系列標(biāo)準(zhǔn)封裝功率模塊從外部看起來類似于前幾代，但內(nèi)部包含了許多技術(shù)改進(jìn)。許多這些改進(jìn)的目標(biāo)是增加功率模塊的功率循環(huán)能力。

與前幾代相比，X系列使用高溫焊料進(jìn)行芯片連接。此外，除了金屬化陶瓷基板的改進(jìn)，用于將基板連接到底板的焊料也得到了改進(jìn)。最后，采用改進(jìn)的凝膠材料進(jìn)一步提高了功率循環(huán)能力。進(jìn)行了如圖8所示的功率循環(huán)測試。經(jīng)確認(rèn)，與前一代相比，新封裝技術(shù)使功率模塊的功率循環(huán)能力提高了2.7倍^[15]。

圖8 3.3kV X系列功率模塊與上一代的功率循環(huán)次數(shù)對比試驗(yàn)^[15]

抗?jié)穸若敯粜?/strong>

近十年來，濕度、溫度、污染等環(huán)境因素對電力設(shè)備可靠性的影響已成為主要研究課題，對于室外設(shè)備應(yīng)用環(huán)境，這些因素?zé)o法控制。本章描述了功率模塊在濕度環(huán)境下的魯棒性。文獻(xiàn)[16] [17]描述了這種抗?jié)耵敯粜栽O(shè)計(jì)的必要性。

硅凝膠是功率模塊中最常用的封裝材料。硅凝膠中如果存在濕氣，當(dāng)應(yīng)用在相對較高的電壓時(shí)，會激發(fā)偶極子的形成，即所謂的表面電荷Q_SS。表面電荷數(shù)量對芯片場限環(huán)和雪崩擊穿電壓有顯著影響。圖9為6.5 kV IGBT芯片的表面電荷與阻斷電壓能力的關(guān)系^[18]。濕度帶來的電壓阻斷能力降低可能導(dǎo)致災(zāi)難性的故障，這種不可預(yù)測的故障是要避免的。通過對封裝材料、芯片結(jié)構(gòu)和鈍化材料的改進(jìn)^[18]，可以達(dá)到抗?jié)穸鹊男ЧＭ瑫r(shí)設(shè)計(jì)專用芯片結(jié)構(gòu)，提高功率芯片的固有抗擾度是減小濕度對功率器件可靠性影響的關(guān)鍵因素。

圖9 表面電荷Q_SS與阻斷電壓的關(guān)系

2015年三菱電機(jī)提出了SCC(表面電荷控制)技術(shù)^[19]。圖10展示了SCC技術(shù)的概念。它在鈍化層下使用半絕緣層而不是絕緣層。該技術(shù)可以降低寄生電容，并作為通流路徑發(fā)揮重要作用。在電壓偏置條件下，由高電場產(chǎn)生的載流子在硅層表面和半絕緣層或者傳統(tǒng)絕緣層之間的界面上聚集。然而，載流子會通過優(yōu)化的半絕緣層清除，如圖10所示。另外，漏電流密度存在溫度依賴性。在室溫下，由于有額外的漏電流通過半絕緣層，SCC類型的漏電流密度略高于無SCC類型。

圖10 表面電荷控制（SCC）概念

另一方面，SCC型在高溫時(shí)具有優(yōu)越的特性，因?yàn)榘虢^緣層在終端實(shí)現(xiàn)最佳的電場分布^[19]�？�?jié)穸若敯粜缘尿?yàn)證可以通過文獻(xiàn)[18]中提出的測試來完成(參見圖11)。這個(gè)測試使功率模塊內(nèi)部在較高的濕度應(yīng)力下產(chǎn)生凝露。三菱電機(jī)提出了一種新的自動凝露試驗(yàn)方法，利用濕度箱更有效地進(jìn)行循環(huán)凝露試驗(yàn)^[20]。這種自動測試有助于推導(dǎo)出現(xiàn)場工況與嚴(yán)苛的考核測試之間的加速因子。此外，為了了解在一定濕度下濕度和溫度變化對功率模塊退化的影響，文獻(xiàn)[21]中提出了壽命模型。

圖11 凝露測試步驟

目前三菱電機(jī)將溫度、濕度和電場這三個(gè)應(yīng)力因素結(jié)合起來進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，也即H3TRB，是三菱電機(jī)在高壓功率模塊發(fā)布前進(jìn)行的一種標(biāo)準(zhǔn)加速可靠性試驗(yàn)。在85°C/85%RH條件下，將X系列與傳統(tǒng)模塊進(jìn)行對比，測試結(jié)果表明X系列性能提高了100多倍。在IEC 60721-3-5 5K2參考條件下，從H3TRB測試結(jié)果可以得到X系列可以實(shí)現(xiàn)抗8000次凝露的空前魯棒性^[22]。

結(jié)論

X系列功率模塊包括額定電壓1.7kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV的器件，其模塊列表如圖12所示。優(yōu)先開發(fā)的是采用大封裝尺寸140x190 mm²的大電流等級功率模塊，其次是中封裝130x140mm²的功率模塊。目前，在滿足熱設(shè)計(jì)的前提下，為同一額定電壓和額定電流值又開發(fā)了上述兩種不同封裝的功率模塊。圖12中所示的功率模塊已完成開發(fā)，并順利通過了所有的可靠性測試，測試報(bào)告可根據(jù)要求提供。所有使用的封裝材料均符合歐洲鐵路安全標(biāo)準(zhǔn)EN45545。

圖12 X系列HVIGBT功率模塊列表（*產(chǎn)品開發(fā)中）

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用于大功率高可靠性應(yīng)用的高壓IGBT模塊

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