Fuji富士V系列IGBT应用手册中文版

2018-08-15 19:52:29 701

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应用手册

－第六代 V 系列 IGBT 模块－

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１ V 系列的基本概念･･････････････････････････ 2

２ IGBT 模块芯片结构的变迁･･････････････････････････ 3

３ V 系列 IGBT 芯片的特征･･････････････････････････ 5

４高导热DCB基板的应用･････････････････････････ 10

５芯片布局最佳化･････････････････････････ 11

６最大结温Tj(max)=175℃ ･････････････････････････ 12

７短路（过电流）保护･････････････････････････ 12

８过电压保护･････････････････････････ 14

９并联连接･････････････････････････ 19

１０最大额定电流的提高･････････････････････････ 21

１１免焊接模块的系列化･････････････････････････ 22

前言

在继承了第五代 U系列的沟槽栅门极结构和场终止技术的基础上，第六代 V 系列 IGBT 模块进一步开发出

了超薄化晶片技术，沟槽构造最佳化技术，进一步改善了模块特性。

本章详细介绍了第六代 V 系列IGBT 模块的各种特性及特征。

１ V 系列的基本概念

近年来，随着环境保护意识的普及，全世界都在呼吁降低二氧化碳排放量。而要降低二氧化碳的排放量，

就必须减少能源的使用量。从而，减少装置及机器设备内的零件数量、零件使用材料，降低生产过程中能源

的耗费也变得尤为重要。因此，在呼吁提高能源转换效率的同时，市场对设备小型化的需求也越来越强烈。

IGBT 模块是电能转换设备的核心部件，如果能使 IGBT 模块小型化，将极大地有助于实现设备小型化。

基于上述背景，我们以“小型化”为基本理念，开发出了最新一代的 V 系列IGBT模块。

图 1-1 显示了市场对 IGBT 模块的基本需求。市场对 IGBT 模块的基本需求可总结为提高性能及可靠性、

减轻环境影响。但是与性能、环境、可靠性相关的各个特性又相互关联影响，因此，为实现 IGBT 模块的小型

化，必须平衡地改善各项性能指标。

本次开发的第六代 V-IGBT 模块通过最大化性能、环境、可靠性有关的各个特性，实现了“小型化”这一

基本理念，并且在同一封装系列扩容，增加了产品的最大额定电流。

２ IGBT模块芯片结构的演变

图 2-1显示了富士电机各代 IGBT 芯片的剖面图。另外，在表 2-1 中列举了应用于各代 IGBT 的技术信息。

在第三代 IGBT 之前，平面栅穿透型 IGBT 占主导地位。当时，穿透型 IGBT 使用了外延晶片，通过从集电

极侧大量注入载流子来实现低通态压降。同时，由于在关断时需要迅速消除大量注入到 n 基层的载流子，采

用了生命周期控制技术，从而同时实现了低通态压降 Vce(sat))和低关断损耗(Eoff)。

然而，在使用生命周期控制技术的情况下，通过生命周期控制技术来抑制大量注入的载流子，从而使IGBT

模块在性能改善方面受到了限制。而且，由于使用了生命周期控制技术，通态压降的不均性变大，从而在并

联应用时很难抑制电流不平衡。

为了解决这些难题，富士电机开发出了第四代 S 系列产品，即不需要使用生命周期控制技术的非穿透

（NPT）型 IGBT 产品。非穿透型 IGBT通过控制集电极(p

层)的掺杂浓度，抑制了载流子的注入效率，同时减

小了 n 基层的厚度，提高了输送效率。由于非穿透型 IGBT可用 FZ（Floating Zone，区熔）晶片代替外延晶

片，从而使其不易受结晶缺陷的影响。另一方面，为了实现低通态压降，需要极大地提高输送效率，因此需

要进一步减小 n 基层的厚度即芯片厚度。富士电机开发了晶片超薄化技术，为特性改善做出了贡献。虽然采

用了超薄化技术来进一步改善芯片的特性，但是 n 基层的厚度基本上决定了芯片的厚度，而 n 基层的厚度又

对模块的耐压能力具有极大的影响，因此芯片特性改善与耐压能力的矛盾变得尤为突出。FS（Field Stop，

场终止）构造成功地解决了这一阻碍模块耐压特性改善的难题。所谓 FS 构造，即在 n 基层设置高浓度 FS 层

的构造。通过采用这种构造可进一步改善产品特性。

另外，富士电机同时也在进行着 IGBT 特性改善所需的表面构造的细微化研究。众所周知，IGBT 是由多

个被称为元胞的基本单元形成的。IGBT 元胞数越多越容易实现低通态压降。因此，表面构造也慢慢从晶片表

面制作 IGBT 元胞的构造（平面构造）向在 Si 表面开槽形成三维门极构造转变。第五代 U 系列产品通过采用

上述的 FS 构造和沟槽栅构造，实现了划时代的特性改善。

今天我们又推出了第六代“V 系列”产品，它在第五代 U 系列的基础上，把 FS 构造进一步超薄化，从而

实现了低通态压降和关断损耗的降低。而且，通过进一步优化沟槽栅结构，提高了开关速度的可控性。

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