如何通过第八代IGBT技术推动可再生能源的未来?

绝缘栅双极晶体管(IGBT)技术对于高功率应用中的高效率至关重要，特别是在阻断电压超过600V的情况下。

可再生能源领域，如光伏(PV)和储能系统(ESS)，在应对全球变暖方面取得了显著增长，推动了对功率半导体的需求。对高功率等级逆变器的需求正在增加。工程师必须在有限的空间内设计高功率系统，这就需要IGBT模块在保持既定封装尺寸的同时提供更高的输出功率。2014/35/EU低电压指令允许“低电压”应用中直流电压水平高达1500V。1200V级IGBT功率模块在这些系统中至关重要，因为可以开发出3L-ANPC(三电平主动中性点钳位)拓扑，以满足高达1500V的直流链接电压要求。

每个功率模块的功率密度提升被视为实现更高输出电流的重要目标，尤其是在需要3L-ANPC拓扑的高功率太阳能或储能转换器中，这会对冷却所需的成本产生影响。因此，有必要减少电气损耗以优化效率，并改善散热以在不发生过热的情况下以更高的功率水平运行，从而确保可靠性和性能。

性能估算与设计目标

图1展示了在LV100封装中考虑3L-ANPC拓扑的第七代1200A/1200V额定IGBT产品的计算导通损耗与开关损耗的归一化比率。在图中，导通损耗和开关损耗分别称为DC和SW。

图1：使用传统 1200 V 级模块的功率损耗分布

损耗主要由直流功率损耗主导。这在IGBT和二极管以及所有设备(外部、内部和中性)中都是如此。此外，外部设备的开通开关功率损耗比率尤其明显。因此，针对IGBT直流功率损耗、二极管直流功率损耗和开通开关功率损耗的有针对性减少，对于降低系统内的总功率损耗至关重要。

减少这些特定的功率损耗能够显著提升整个系统的效率。IGBT和二极管中的高直流功率损耗率表明，这些组件的优化可能带来显著的性能提升。同样，解决外部设备的高开通开关功率损耗也能进一步降低总功率耗散，提高模块的操作效率和可靠性。

第八代芯片技术——关键特性

三菱电机的第八代IGBT芯片主要采用了分裂假负载(SDA)栅结构和控制电荷载流子等离子层(CPL)结构。本文对此先进技术进行了详细描述。

图2展示了第七代和第八代涉及SDA和CPL的示意横截面图。

图2：第 7 代 CSTBT(顶部)与第 8 代 CSTBT(底部)的芯片横截面

在IGBT模块中，通过高速开关可以减少开通开关功率损耗，但这会导致高反向恢复dv/dt，从而产生电磁干扰(EMI)并给电机绝缘造成压力。

为了解决这个问题，通常会增加栅电阻(RG)，但这也会增加开关功率损耗。因此，在不增加RG的情况下降低反向恢复dv/dt是至关重要的。

第八代使用SDA沟槽代替假负载沟槽。在SDA沟槽中，上电极连接到发射极，下电极连接到栅极。此外，CPL结构应用于背面缓冲层。

图3描绘了两代间发射极电流(IE)对反向恢复dv/dt的依赖关系。SDA结构在不影响栅-发射极电容(CGE)的情况下增加栅-集电极电容(CGC)，有效地在低电流下减少恢复dv/dt，而不影响高电流。这点至关重要，因为反向恢复dv/dt通常在低集电极电流时最高。

图3：发射极电流与恢复 dv/dt 的关系。顶部面积为 0-100%

减少芯片厚度可以降低直流和开关功率损耗，但这必须与击穿电压考虑相平衡。在高di/dt关断操作中，过量的VCE瞬态电压可能会损毁IGBT。抑制关断VCE瞬态电压是降低芯片厚度并实现高di/dt操作的关键。

第八代IGBT采用了具有控制电荷载流子等离子层(CPL)结构的优化背面缓冲层。CPL结构通过管理关断过程中电荷载流子的分布，提高关断的柔和性，从而减少峰值VCE瞬态电压和振荡。图4表明，带有CPL的IGBT将关断VCE瞬态电压抑制在1200V额定值以下，而没有CPL的IGBT则观察到了尖锐的瞬态电压。

图4：带 CPL 和不带 CPL 的 IGBT 关断波形

这一改进设计允许更高的di/dt关断操作，减少芯片厚度，从而降低功率损耗，使第八代IGBT更高效可靠。

接下来，将进行基准测试，以量化第八代芯片及其先进技术(包括SDA栅结构和CPL)的优势。

第八代芯片技术——性能基准测试

图5展示了芯片面积及结-壳体热阻(Rth(j-c))的标准化比较。第八代1200V级芯片针对LV100封装芯片安装面积进行了优化。通过将IGBT芯片面积增加39%与第七代相比，第八代IGBT显著降低了Rth(j-c)和直流功率损耗。

图5：1200V 级芯片面积和 R th(jc)

第八代二极管在损耗折衷和芯片厚度上进行了优化，其芯片面积也比前代大18%。这一扩展减少了Rth(j-c)和直流功率损耗。此外，LV100封装的内部设计经过优化，以最大化第八代IGBT模块的芯片安装面积。

因此，图6展示了IGBT模块的载频(fc)与输出电流(Iout)之间的关系。横轴表示fc，纵轴显示Iout的运行值。结果表明，第八代IGBT模块的输出功率相比传统模块可增加约25%。或者，对于相同的输出功率，载频可从2.7kHz提高至4.4kHz。

图6：输出功率比较

IGBT芯片的先进技术

第八代IGBT芯片利用了先进的技术，如分裂假负载栅结构和控制电荷载流子等离子层结构，代表了Si IGBT芯片技术的重大飞跃。这些创新提升了功率密度，减少了开关和直流功率损耗，并改善了热性能。

可再生能源领域，特别是光伏(PV)和储能系统(ESS)，推动了对高效率功率半导体的需求增加。在这些应用中，1200V级IGBT模块至关重要，能够在保持传统封装尺寸的同时提供更高的输出功率。第八代芯片通过优化芯片厚度、增强背面缓冲层设计和扩大LV100封装内的芯片面积实现了这一点。

测试表明，第八代IGBT模块显著降低了开关损耗，并改善了热性能，相比于前几代，IGBT芯片面积增加了39%，二极管芯片面积增加了18%，这导致结-壳体热阻(Rth(j-c))和直流功率损耗的降低。此外，这些模块实现了大约25%更多的输出功率，并通过优化冷却和系统设计进一步改善潜力。

第八代IGBT模块在效率、可靠性和功率密度方面提供了显著的进步，使其在快速增长的可再生能源市场中的高功率应用中更具优势。