在一些要求高可靠性的應用場合，希望功率半導體器件可以穩定運行30年以上。為了達到這個目標，三菱電機開發了X系列高壓IGBT模塊，特別注重了可靠性方面的設計，并在實際的環境條件下進行了驗證，結果顯示失效率可以得到明顯降低。本文著介紹在IGBT數據手冊上看不到的一些特性。
1、引言
在一些電力電子應用中，例如軌道牽引、輸變電系統等，追求IGBT模塊零失效率，但是實際運行中一些突發狀況還是會發生，而這種突發狀況往往無法預測，所以就要求功率半導體器件能夠有足夠大的裕量，可以承受這種突然的沖擊。本文就X系列高壓IGBT模塊在應對突發工況和惡劣環境條件下的一些特別設計點做了詳細介紹。
2、可靠性設計
2.1 大電流開關工況下的動態魯棒性
2.1.1 過載工況
在IGBT模塊選型時，需要考慮的因素很多，比如回路雜散電感、門極驅動條件、直流電壓波動范圍、環境溫度等等。就電流而言，一般情況下，IGBT模塊規格書定義其最大關斷電流為兩倍的額定電流，這是由IGBT芯片所決定的。如圖1所示，X系列高壓IGBT芯片襯底增加了P區，可以實現增大的關斷電流[1][2]。
2.1.2 短路工況
短路模式分為好幾種模式：IGBT開通即短路（短路模式1），IGBT通態過程中短路（短路模式2），反并聯二極管續流時短路（短路模式3）[3][4]。從IGBT設計原理上，有兩種提高IGBT模塊短路耐量的方法：一種是優化IGBT芯片設計。另一種是優化IGBT模塊內部排版布局，使短路電流引起的電磁感應對門極電壓的影響最小化。對IGBT芯片來說，通過優化MOS柵極的元胞結構和密度，可以避免閂鎖效應發生，進而提高其短路耐量。對IGBT模塊內部排版布局來說，可以通過電磁場分析，使短路電流對門極電壓引起的感應電動勢最小[5]。
短路模式3對反并聯二極管是個巨大的考驗。所以，在X系列二極管芯片設計時，特別增強了二極管的堅固可靠性。通過采用RFC芯片技術[6]，反并聯二極管可以承受更大的峰值功率，保證其在短路模式3下不會失效。
2.1.3 反向恢復過程
在母線電壓較高時，對于傳統的PIN二極管，當反向恢復時，二極管兩端的電壓會產生電壓尖峰和振鈴現象（如圖2所示）。為了抑制這種現象，必須減小IGBT模塊開通時的di/dt，但是低的di/dt會導致開通損耗的上升。如果采用RFC二極管，即使開通速度比較快（di/dt較大），反向恢復的振鈴現象也不會發生，此時開通損耗也會相對較小[6]。RFC二極管芯片的截面圖如圖3所示。
2.1 更高的穩態工作結溫
一般來說，功率半導體器件的失效率會隨著其工作溫度的升高而上升（參考MIL標準：MIL-HDBK-217F），根據公式(1)，硅NPN器件在150℃工作結溫下的失效率（πT）是其在125℃時的1.37倍。
所以，在選擇IGBT模塊時，應當了解其最大工作結溫，并且留有適當的裕量。而對于IGBT模塊設計者來說，也應當選擇耐高溫的材料，并且采用合適的組裝工藝流程，使IGBT模塊能夠可靠穩定地在高溫下運行。下面就X系列高壓IGBT模塊在工作結溫和絕緣方面的設計點做介紹。
2.2.1 防止過溫失效
減小高溫下集電極-發射極漏電流（ICES）是一個有效的防止過溫失效的方法。對IGBT芯片來說，可以通過以下設計方法：
1、優化N+緩沖層結構（如圖4）；
2、控制N-漂移層的載流子壽命；
3、采用一種合適的邊緣終止區結構[7];
4、晶圓處理過程中采用吸雜工藝，如圖5所示，增強晶圓的純度，使雜質含量最小化。
通過以上措施，使X系列高壓IGBT模塊在在150℃時的ICES與傳統IGBT模塊125℃時相當。
2.2.2 強化絕緣能力
局部放電是IGBT模塊絕緣設計的一個重要考量點，應當保證IGBT器件在高溫下長期運行時不產生局部放電。首先絕緣凝膠的選擇，在超過IGBT最大結溫時仍保持良好的絕緣性能。其次在凝膠注入時，采用精細的工藝流程保證凝膠中的氣泡不會引起局部放電發生。
2.3 更好的抵御惡劣環境能力
像鐵路等，控制功率模塊周邊的溫度和濕度是很困難的，因此在IGBT模塊設計時，應當考慮其在高壓下抵御高濕度的能力。
2.3.1 濕度和凝露對IGBT模塊的影響
當VCE較高，且環境濕度比較大時，場限環表面的電荷易于產生集聚，而這種電荷的集聚會影響IGBT芯片的耐壓能力（VCES）。X系列高壓IGBT模塊的邊緣終止區采用半絕緣性鈍化膜材料和處理工藝，可以抑制高壓工況下場限環表面的電荷集聚，進而提高其抵御高濕度和凝露的能力。
2.3.2 LTDS
LTDS（長期運行直流穩定性）是IGBT芯片抵御宇宙射線的能力，也是IGBT模塊設計時一個重要考慮點。如之前所述[7]，通過采用輕穿通（LPT）技術，并減小ICES，確保X系列高壓IGBT模塊的LTDS滿足電氣系統要求。
3、驗證結果
三菱電機開發了新一代具有高魯棒性和可靠性的X系列高壓IGBT模塊：VCES=6500V,IC=1000A。以下描述驗證方法和驗證結果。
3.1 動態魯棒性的驗證結果
3.1.1 反向偏置安全工作區（RBSOA）
在一個帶感性負載的半橋電路中，直流電壓VCC=4500V，Tj=150℃，逐漸增大集電極電流（Ic），直到4倍額定電流。如圖6所示，CM1000HG-130XA可以安全地關斷4倍額定電流。關斷過程電壓電流的曲線圖如圖7所示。
3.1.2 短路耐量
圖8所示為短路模式2的測試電路圖，圖9所示為短路模式3的測試電路圖。圖11為觸發脈沖次序。如圖所示，IGBT2為被測器件，為了使其短路電流不受其它因素制約（例如IGBT3的退飽和電流），我們選擇IGBT2的1/3來測試（如圖10）。
短路模式2和短路模式3是考量IGBT模塊的極限測試，如果IGBT模塊沒有足夠的短路耐量，就會發生損壞（如圖12）所示。在VCC=4200V，VGE=15V，Tj=150℃，tw=10us，Lsc=4.2nH，短路之前流過IGBT的電流為1000A，CM1000HG-130XA可以安全地通過短路模式2的測試，如圖13所示。在相同的條件下，短路之前流過二極管的電流為1000A，CM1000HG-130XA同樣可以安全地通過短路模式3的測試，如圖14所示。
3.1.3 二極管魯棒性
衡量二極管魯棒性的一個指標為反向恢復過程中的最大可承受峰值功率（Prr），當反向恢復二極管的Prr較小時，在高壓、高di/dt工況時，極易發生損壞。CM1000HG-130XA反并聯二極管采用RFC硅片技術，最大可承受峰值功率（Prr）可達13MW，即使在高溫、高壓、大電流工況下，依然可以可靠地進行反向恢復，且不會發生電壓振鈴現象。在VCC=4500V,VGE=15V, IF=2000A, Tj=150℃，Ls=150nH,di/dt>5000A/us, Prr=13MW, 二極管反向恢復波形如圖15所示。其電壓電流的關系圖如圖16所示，CM1000HG-130XA可以承受更大的峰值功率。
3.2 惡劣環境工況的驗證結果
3.2.1 高溫工況
為了驗證高溫下漏電流（ICES）的變化，我們把IGBT模塊放置在散熱器上，保持散熱器溫度在150℃。然后從1kV開始不斷的增加VCE, 直到6.5kV。我們可以看到漏電流變化如圖17所示。在6.5kV時，ICES在30mA左右，和傳統IGBT模塊在125℃時相當。
通過局部放電測試來驗證X系列高壓IGBT的絕緣特性，首先把其做高溫存儲和溫度循環（如表3所示），然后施加6.9kVrms的測試電壓（如圖18所示），測試結果表明，溫度變化前后，局部放電并沒有明顯變化。
3.2.2 高濕工況
為了驗證CM1000HG-130XA抵御高濕度的能力，通過凝露試驗來確認[9]。在凝露條件下，VCE=5200V，VGE=0V，Ta=25℃，CM1000HG-130XA的漏電流ICES在重復五次試驗之后沒有發生明顯變化。
4、結論
功率半導體器件作為電力電子系統的關鍵元器件，其穩定、可靠地長期運行至關重要。X系列高壓IGBT模塊設計時特別考慮了其可靠性：(1)新的IGBT和二極管硅片技術增強了其在過載、短路等大電流工況下的動態魯棒性；(2)新的硅片結構和晶圓處理工藝保證其可以在更高工作結溫下運行(150℃)；(3)新的絕緣材料和工藝流程，保證其在惡劣環境條件下（比如高濕等）仍然可以可靠運行。以上設計帶來的實際效果，已經通過實驗得到驗證。 |
