新一代高压IGBT模块的可靠性设计

Posted 2021-04-19 电力电子网

新一代高压IGBT模块的可靠性设计

Nobuhiko Tanaka*,Shuichi Kitamura*, Kenji Ota*, Shinichi Iura*, Keiichi Nakamura*, 

EugenWiesner**, Eckhard Thal**

[*三菱电机功率器件制作所；**三菱电机（欧洲）有限公司]

摘   要

        在一些要求高可靠性的应用场合，希望功率半导体器件可以稳定运行30年以上。为了达到这个目标，三菱电机开发了X系列高压IGBT模块，特别注重了可靠性方面的设计，并在实际的环境条件下进行了验证，结果显示失效率可以得到明显降低。本文着介绍在IGBT数据手册上看不到的一些特性。

1、引言

在一些电力电子应用中，例如轨道牵引、输变电系统等，追求IGBT模块零失效率，但是实际运行中一些突发状况还是会发生，而这种突发状况往往无法预测，所以就要求功率半导体器件能够有足够大的裕量，可以承受这种突然的冲击。本文就X系列高压IGBT模块在应对突发工况和恶劣环境条件下的一些特别设计点做了详细介绍。

2、可靠性设计

2.1 大电流开关工况下的动态鲁棒性

2.1.1 过载工况

在IGBT模块选型时，需要考虑的因素很多，比如回路杂散电感、门极驱动条件、直流电压波动范围、环境温度等等。就电流而言，一般情况下，IGBT模块规格书定义其最大关断电流为两倍的额定电流，这是由IGBT芯片所决定的。如图1所示，X系列高压IGBT芯片衬底增加了P区，可以实现增大的关断电流^[1][2]。

2.1.2 短路工况

短路模式分为好几种模式：IGBT开通即短路（短路模式1），IGBT通态过程中短路（短路模式2），反并联二极管续流时短路（短路模式3）^[3][4]。从IGBT设计原理上，有两种提高IGBT模块短路耐量的方法：一种是优化IGBT芯片设计。另一种是优化IGBT模块内部排版布局，使短路电流引起的电磁感应对门极电压的影响最小化。对IGBT芯片来说，通过优化MOS栅极的元胞结构和密度，可以避免闩锁效应发生，进而提高其短路耐量。对IGBT模块内部排版布局来说，可以通过电磁场分析，使短路电流对门极电压引起的感应电动势最小^[5]。

短路模式3对反并联二极管是个巨大的考验。所以，在X系列二极管芯片设计时，特别增强了二极管的坚固可靠性。通过采用RFC芯片技术^[6]，反并联二极管可以承受更大的峰值功率，保证其在短路模式3下不会失效。

2.1.3 反向恢复过程

在母线电压较高时，对于传统的PIN二极管，当反向恢复时，二极管两端的电压会产生电压尖峰和振铃现象（如图2所示）。为了抑制这种现象，必须减小IGBT模块开通时的di/dt，但是低的di/dt会导致开通损耗的上升。如果采用RFC二极管，即使开通速度比较快（di/dt较大），反向恢复的振铃现象也不会发生，此时开通损耗也会相对较小^[6]。RFC二极管芯片的截面图如图3所示。

2.1 更高的稳态工作结温

一般来说，功率半导体器件的失效率会随着其工作温度的升高而上升（参考MIL标准：MIL-HDBK-217F），根据公式(1)，硅NPN器件在150℃工作结温下的失效率（π_T）是其在125℃时的1.37倍。

所以，在选择IGBT模块时，应当了解其最大工作结温，并且留有适当的裕量。而对于IGBT模块设计者来说，也应当选择耐高温的材料，并且采用合适的组装工艺流程，使IGBT模块能够可靠稳定地在高温下运行。下面就X系列高压IGBT模块在工作结温和绝缘方面的设计点做介绍。

2.2.1 防止过温失效

减小高温下集电极-发射极漏电流（I_CES）是一个有效的防止过温失效的方法。对IGBT芯片来说，可以通过以下设计方法：

1、优化N+缓冲层结构（如图4）；

2、控制N-漂移层的载流子寿命；

3、采用一种合适的边缘终止区结构^[7];

4、晶圆处理过程中采用吸杂工艺，如图5所示，增强晶圆的纯度，使杂质含量最小化。

通过以上措施，使X系列高压IGBT模块在在150℃时的I_CES与传统IGBT模块125℃时相当。

2.2.2 强化绝缘能力

局部放电是IGBT模块绝缘设计的一个重要考量点，应当保证IGBT器件在高温下长期运行时不产生局部放电。首先绝缘凝胶的选择，在超过IGBT最大结温时仍保持良好的绝缘性能。其次在凝胶注入时，采用精细的工艺流程保证凝胶中的气泡不会引起局部放电发生。

2.3 更好的抵御恶劣环境能力

像铁路等，控制功率模块周边的温度和湿度是很困难的，因此在IGBT模块设计时，应当考虑其在高压下抵御高湿度的能力。

2.3.1 湿度和凝露对IGBT模块的影响

当V_CE较高，且环境湿度比较大时，场限环表面的电荷易于产生集聚，而这种电荷的集聚会影响IGBT芯片的耐压能力（V_CES）。X系列高压IGBT模块的边缘终止区采用半绝缘性钝化膜材料和处理工艺，可以抑制高压工况下场限环表面的电荷集聚，进而提高其抵御高湿度和凝露的能力。

2.3.2 LTDS

LTDS（长期运行直流稳定性）是IGBT芯片抵御宇宙射线的能力，也是IGBT模块设计时一个重要考虑点。如之前所述^[7]，通过采用轻穿通（LPT）技术，并减小I_CES，确保X系列高压IGBT模块的LTDS满足电气系统要求。

3、验证结果

三菱电机开发了新一代具有高鲁棒性和可靠性的X系列高压IGBT模块：V_CES=6500V,I_C=1000A。以下描述验证方法和验证结果。

3.1 动态鲁棒性的验证结果

3.1.1 反向偏置安全工作区（RBSOA）

在一个带感性负载的半桥电路中，直流电压V_CC=4500V，T_j=150℃，逐渐增大集电极电流（Ic），直到4倍额定电流。如图6所示，CM1000HG-130XA可以安全地关断4倍额定电流。关断过程电压电流的曲线图如图7所示。

3.1.2 短路耐量

图8所示为短路模式2的测试电路图，图9所示为短路模式3的测试电路图。图11为触发脉冲次序。如图所示，IGBT2为被测器件，为了使其短路电流不受其它因素制约（例如IGBT3的退饱和电流），我们选择IGBT2的1/3来测试（如图10）。

短路模式2和短路模式3是考量IGBT模块的极限测试，如果IGBT模块没有足够的短路耐量，就会发生损坏（如图12）所示。在V_CC=4200V，V_GE=15V，T_j=150℃，t_w=10us，L_sc=4.2nH，短路之前流过IGBT的电流为1000A，CM1000HG-130XA可以安全地通过短路模式2的测试，如图13所示。在相同的条件下，短路之前流过二极管的电流为1000A，CM1000HG-130XA同样可以安全地通过短路模式3的测试，如图14所示。

3.1.3 二极管鲁棒性

衡量二极管鲁棒性的一个指标为反向恢复过程中的最大可承受峰值功率（P_rr），当反向恢复二极管的P_rr较小时，在高压、高di/dt工况时，极易发生损坏。CM1000HG-130XA反并联二极管采用RFC硅片技术，最大可承受峰值功率（P_rr）可达13MW，即使在高温、高压、大电流工况下，依然可以可靠地进行反向恢复，且不会发生电压振铃现象。在V_CC=4500V,V_GE=15V, I_F=2000A, T_j=150℃，L_s=150nH,di/dt>5000A/us, P_rr=13MW, 二极管反向恢复波形如图15所示。其电压电流的关系图如图16所示，CM1000HG-130XA可以承受更大的峰值功率。

3.2 恶劣环境工况的验证结果

3.2.1 高温工况

为了验证高温下漏电流（I_CES）的变化，我们把IGBT模块放置在散热器上，保持散热器温度在150℃。然后从1kV开始不断的增加V_CE, 直到6.5kV。我们可以看到漏电流变化如图17所示。在6.5kV时，I_CES在30mA左右，和传统IGBT模块在125℃时相当。

通过局部放电测试来验证X系列高压IGBT的绝缘特性，首先把其做高温存储和温度循环（如表3所示），然后施加6.9kVrms的测试电压（如图18所示），测试结果表明，温度变化前后，局部放电并没有明显变化。

3.2.2 高湿工况

为了验证CM1000HG-130XA抵御高湿度的能力，通过凝露试验来确认^[9]。在凝露条件下，V_CE=5200V，V_GE=0V，T_a=25℃，CM1000HG-130XA的漏电流I_CES在重复五次试验之后没有发生明显变化。

4、结论

功率半导体器件作为电力电子系统的关键元器件，其稳定、可靠地长期运行至关重要。X系列高压IGBT模块设计时特别考虑了其可靠性：(1)新的IGBT和二极管硅片技术增强了其在过载、短路等大电流工况下的动态鲁棒性；(2)新的硅片结构和晶圆处理工艺保证其可以在更高工作结温下运行(150℃)；(3)新的绝缘材料和工艺流程，保证其在恶劣环境条件下（比如高湿等）仍然可以可靠运行。以上设计带来的实际效果，已经通过实验得到验证。

5、参考文献

[1] Z. Chen, et al., “LPT (Ⅱ)-CSTBT(Ⅲ) for High Voltage Application with Ultra RobustTurn-off Capability Utilizing Novel Edge Termination Design,” Proc. ISPSD 2012,pp.25, Belgium

[2] K. Hatori, et al., “The NextGeneration 6.5kV IGBT Module with High Robustness,” Proc. PCIM 2014 Europe, pp.28-33, Germany

[3] J. Luts, et al., “short Circuit Ⅲ in High Power IGBTs,” Proc. EPE2009, Barcelona

[4] S. Pierstorf, et al., “DifferentShort Circuit Types of IGBT Voltage Source Inverters,” Proc. PCIM 2011 Europe,pp. 592-597, Germany

[5] K. Hatori, et al., “Widetemperature operation of high isolation HV-IGBT,” Proc. PCIM 2010 Europe, pp.470-475, Germany

[6] A. Nishii, K. Nakamura, F.Masuoka, and T. Terashima, “Relaxation of Current Filament due to RFC Technologyand Ballast Resistor for Robust FWD Operation,” Proc. ISPSD’11, pp.112-115, SanDiego, USA, 2011

[7] H. Uemura, et al., “OptimizedDesign against Cosmic Ray Failure for HVIGBT Modules,” Proc. PCIM 2011 Europe,pp. 26-31, Germany

[8] Z. Chen, et al., “A BalancedHigh Voltage IGBT Design with Ultra Dynamic Ruggedness and Area-efficient EdgeTermination,” Proc. ISPSD 2013, pp.37, Kanazawa, Japan

[9] N. Tanaka, et al., “RobustHVIGBT Modules Design against High Humidity,” Proc. PCIM 2015 Europe, pp.368-373, Germany

来源：三菱电机

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