摘要：随着1.7kV SPT(软穿通)IGBT LoPak密集型封装结构模块类型的引入，为进一步开发利用新的

1.7kV SPT IGBT和二极管芯片的特性，研发了电压为1.7kV，电流额定值为2.4kA新封装类型的模块，该模块 采用了E1和E2工业标准模块封装形式。在长期高可靠性应用的经验基础上，设计了新的封装类型，其特性 适用于牵引市场。讨论了1.7kV SPT LIGBT(E1/E2)模块范围的特性，尤其论述了改进的静态和动态特性。

关键词：模块；牵引/绝缘栅双极晶体管；软穿通

1 引 言

随着软穿通IGBT技术的引入，制定了有关IGBT设计及 其特性的新标准，以适应中等功率市场的需要。软穿通(SPT) IGBT结合了传统非穿通型(NPT)IGBT的高强度和低损耗两个 特点，因此已成为1.2～1.7kV电压范围的标准产品。为了充分 利用SPT-IGBT这一技术特性，1.2～1.7kV LoPak模块的额定 电流范围扩展至75～300A。现在，额定电流为2.4  kA的新一 代大功率工业标准模块又增加了140x130(E1)，140x190(E2)两 种封装尺寸，使1.7kV SPT-IGBT的封装类型得到了扩展。

与已经应用的1.7kV标准模块相比，新型模块的主要损 耗减少了约20％。除极低的静态和动态损耗外，1.7kV  SPT- IGBT表现为明显的正温度系数。这一特点适用于并联工作状 态，尤其是El/E2类型的大电流模块。尽管SPT-IGBT的损耗较 低，但其短路电流和开关强度均较大，且独特的软穿通结构 的电磁干扰很小。SPT技术发展的同时，开发了新型软快速恢 复二极管，用于辅助SPT的特性。新的二极管在任意条件工作 下均表现出软恢复和极耐用的特性。因为需并联使用，二极 管也要求正的温度系数。

2 1.7kV的芯片组技术

图1示出新型号1.7 kV SPT-IGBT的E2标准封装。基于高可 靠性应用的经验，设计出了适用于工业牵引的新封装类型。

如图2所示，标准的平面工艺与软穿通概念相结合可得到

性能更好的IGBT，它比NPT结构的损耗低20％左右。SPT技

术的通态损耗与使用沟道工艺的相同额定电流元件的通态损 耗相似。为使单位面积的成本更低，选用了工艺技术很成熟 的平面设计。与平面单元的概念相结合，可以使热阻更小， 耐用性更强。

SPT是指在IGBT的阳极一边有一个低掺杂的缓冲层。在 额定直流电压下，空间电荷区并未延伸到该缓冲区。然而，

图2  两种结构的掺杂浓度分布和电场分布比较

在更高的电压下，SPT缓冲区可使电流在关断时更平滑。因 此，尽管基区减薄了30％，SPT-IGBT的动态电特性仍与基区 更厚的NPT-IGBT相仿。当芯片在大电流模块如E1和E2类型 时该方法更重要，此时电压过冲的峰值在IGBT关断时可达到 其临界值，将引起大的振荡，提高电磁干扰等级。另外，相

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○技术探讨        www.365powernet.com

对于改变门极电阻，优化SPT-IGBT的输入电容，可更好地控

制开通di/dt。使IGBT得到更快的电压延迟时间，进一步减少

IGBT的开通损耗。

另外，1.7kV快速和软恢复二极管的发展也增加了1.7kV SPT-IGBT的优势。二极管采用了最新的设计技术和控制寿命的 方法，其动态、静态的损耗更小，且具有软恢复特性和更小的 电磁干扰。而且，IGBT和二极管在开通时均为正温度系数，保 证在大电流模块工作时，并联的硅芯片的电流实现均衡。

使用一简易的测试装置对1.7kV的芯片组进行了可靠性测 试，该测试与封装形式无关，因此可代表许多类型的模块。 成功完成了对芯片的3种相关测试，如HTRB，HTGB和THB 可靠性测试、高温反向偏压和温度湿度测试。为了减少IGBT 和二极管因宇宙射线引起的失效率，优化了元件的设计。测

试表明，在25℃，900V直流回路电压条件下，每个芯片允许

电流下，25℃时的通态电压为2.3V，125℃时通态电压为2.6V。

由图可知，在低电流下，温度系数仍为正值，可防止元 件并联工作时因热不稳定而引起电流不匹配。二极管在25℃ 时，通态电压较低为1.9V；125℃时为1.95V，其温度系数也 为正值，与模块内的IGBT正好相匹配。为确保低温下，如

40℃时，1.7kVSPT-IGBT和二极管有足够的电压余量，其阻断 电压均应选为1.85kV。

图4 E2  模块的通态特性

的失效率为1％。

性。实验参数：V  =900V，I =2.4kA，V

=15V，R  =0.8Ω  ，

cc                          c

L =60nH，T =125℃。

ge                        G

3  1.7kV-SPT IGBT E1/E2模块产品

1.7kV  El/E2模块产品完全利用了1.7kV  SPT-IGBT和二 极管芯片组的特性。在不同的电流值下，可提供一定范围的 标准配置。该模块使单个开关IGBT拓扑结构的额定电流从

1.2kA提升到2.4kA。

最新开发的模块使用最新的Alsic作基板和AIN作基片， 提高了功率循环负荷能力，与SPT IGBT芯片相结合，可降低 总热阻。为提高电特性，降低电磁干扰，设计优化了硅芯片 和衬底的内部连线和布局，使得发生在芯片间的振荡最小。 这种振荡也会因模块的内部电流不匹配而产生。

4  1.7kV/2.4kA E2模块的电特性

s                           j

可见，在1.7kV SPT-IGBT开关瞬间，关断电流很平滑。 由 于 基 区 减 薄 ， 又 有 S P T 缓 冲 层 ， 拖 尾 电 流 曲 线 很 短 。 因 此，在125℃和额定条件下，关断损耗Eoff≈1J。与相同条件的 NPT-IGBT相比，其损耗值少了20％。另外，拖尾电流很短， 使得开关 速率提高， 同时也降低了电压过冲和电磁干扰。

I =2.4kA，R  =1Ω，  L =60nH，T =125℃。

=900V，

c                            G                       s                           j

图3  在125℃条件下，E2模块的输出特性

(1)静态特性  图3显示了E2模块在不同的门极电压下的输 出特性。

由于使用了薄基区结构，优化了芯片单元的设计，1.7kV SPT-IGBT与传统的NPT结构相比，通态损耗减少了20％。图4示

出了E2模块，在芯片阶段的通态特性。图4a中，E2模块在额定

(3)安全工作区(SOA)的特性  E2模块有很好的耐用性，

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IGBT在关断和短路时，有一很宽的安全工作区。图7示出E2

图11示出在25℃和125℃时，1.7kV/2.4kA SPT-IGBTE2模

=1.3  kV，I =4.8

块在短路时软关断情况下的波形。实验参数：V

=1.3kV，

kA，V  =15 V，R  =0.8 Ω，  L =60nH，T =125℃。元件上加了

V  =15V，R  =1Ω  ，L =60nH，直流电压为1.3kV，短路时间为

ge                         G                             s                          j

ge                       G                       s

2倍的额定电流4.8kA，温度125℃，直流电压1.3 kV。在大功 率模块，如E1/E2中，大量的IGBT芯片并联使用，电流上升 率di/dt也随并联的IGBT个数而成倍增加。如此大的di/dt值和 杂散电感可以引起很高的过电压。模块在高的直流电压和大 电流下工作时，如果不采取特殊的手段，则关断时的过电压 有可能超过IGBT额定的电压。

为了把额外的过压加在IGBT上，通常在反偏安全工作区 (RBSOA)测试中使用有源箝位。图8示出其原理图。使用箝位 二极管来抑制过电压。如果IGBT的关断过电压超过了箝位二 极管的齐纳击穿电压，IGBT的门极电压将被抬升。因此，集 电极电流人上升的斜率更缓，限制了过压。当IGBT开通时， 为避免门极电流流入集电极，使用了肖特基二极管。另外，推 荐使用一个电阻来减少箝位二极管的电流。为保护IGBT的门 极不受过压的影响，采用了一个双向箝位二极管。在RBSOA 试验装置中，使用1.45kV箝位电压来抑制二极管电压。由于动 态效应，关断过压通常要比箝位二极管的齐纳电压高很多。

图8  RBSOA测试的有源箝位原理图

10μ  s。电流波形图显示，在25℃时，2.4kV模块的最大短路电 流为13×103A；在125℃时，最大短路电流为11.5×103A。

图10  E2 IGBT损耗及二极管反向恢复参数波形

为使有源箝位的反应速度更快，还可将一附加的电容并 联在箝位二极管上。该电容也可以抑制IGBT开通和关断时的 du/dt。不过，试验电路未选用电容。图9示出温度分别为25℃ 和125℃时E2模块的二极管反向恢复特性曲线。实验条件为：

5  结论