中心論題：

• 半導體開關中的IGBT和二極管
• 芯片技術的進展
• 模塊外殼的要求

解決方案：

• IGBT4總損耗更低
  ，開關行為更為輕柔
  
  ，同時芯片的麵積也更小
• 新一代芯片擴大了的溫度範圍

在日益增長的變頻器市場，許多廠商提供性能和尺寸各異的變換器類型。這正是以低損耗和高開關頻率而著稱的新IGBT技術施展的舞台。在62 mm（當前模塊的標準尺寸）模塊中使用新IGBT技術可使用戶不必改變其機械設計概念而獲益。

基於平台技術的標準62 mm SEMITRANS模塊
，由於針對IGBT和二極管采用了不同的半導體技術

，因此適合於多種應用場合。采用標準尺寸模塊外殼這一事實意味著用戶有更多可供選擇的供應商。

新1 200 V係列模塊為我們展示了外殼和半導體之間的匹配是多麼的完美，該係列產品基於英飛淩的IGBT4技術和賽米控穩健可靠的新CAL4二極管。

半導體開關中的IGBT和二極管
在電力電子技術中半導體器件IGBT 和二極管僅作為開關，“理想的開關”必須滿足以下條件：通態壓降Vd = 0，與當前導通電流無關
；反向電流Ir = 0，在最大允許反向電壓以下
；開關損耗Psw = 0，與當前被切換的電流和直流母線電壓無關
；熱阻Rth無足輕重，因為沒有損耗產生。

然而，在實際的開關中，存在大量的正向壓降和開關損耗，因而設計中的熱阻處理技術對模塊性能來說是至關重要的。本文討論了IGBT2、IGBT3 以及SEMITRANS模塊采用的新IGBT4 半導體技術之間的區別，並展示了在某些情況下新IGBT4技術所帶來的性能提升。

芯片技術的進展
圖1（a）顯示了基於英飛淩溝槽柵場截止（FS）IGBT4 技術和賽米控CAL4 續流二極管的新一代芯片的基本結構。

IGBT4基本上是基於已知的IGBT3 溝槽柵結構並結合經優化的包含n-襯底
、n-場截止層和後端發射極的縱向結構。與第三代IGBT相比，這將使總損耗更低
，開關行為更為輕柔
，同時芯片的麵積也更小。此外，pn 結的最高結溫Tjmax 從150益升高至175益。這將在靜態和動態過載情況下建立一個新的安全裕度。IGBT4係列產品的特點是有一個為高

、中
、低功率應用而優化的縱向結構
；開關性能和損耗適用於給定的功率等級。這裏所展示的結果集中在中等功率範圍（50~600 A）的應用，采用的是低電感模塊，開關速率在4~12 kHz之間（這相當於IGBT4L）。

當在更高電流密度情況下使用新一代IGBT，具有高電流密度的續流二極管也是需要的，尤其是對《變頻技術應用》2008年第3期那些具有最大芯片封裝密度的模塊。基於這個原因
，在現有CAL（可控軸向長壽命）二極管技術的基礎上開發了新的CAL4 續流二極管，其特點在於對任何電流密度的軟開關性能，耐用度（高di/dt）好以及低反向恢複峰值電流和關斷損耗。CAL4 FWD的基本結構隻是背麵帶有n/n+結構的薄n-襯底，如圖1（b）所示。為了減少產生的損耗，n緩衝層被優化，采用較薄n+晶圓，使活動表麵積增大（即小邊結構），縱向載流子壽命被優化。因此，新的，經過改進的CAL4 二極管很出色，除了電流密度提高了30%，其正向電壓更低
，切換損耗也與上一代相類似（CAL3
，Tjop =常數）。為增加pn結的最高結溫至175益，使用了新的邊緣端鈍化技術。受益於上述的優化工作
，CAL4FWD是第四代IGBT應用的完美匹配。

新一代芯片擴大了的溫度範圍———175益（Tjmax）在適當的可靠性試驗中進行了驗證

，例如

，柵應力
，高溫反偏（HTRB），高濕高溫反偏（THB）測試。

英飛淩的3 個主要IGBT 技術係列的最重要的專用參數如表1 所列，它們都為1 200 V SEMI原TRANS模塊所使用。

模塊外殼的要求
SEMITRANS模塊外殼的主要參數以及這些參數對最終產品性能所產生的影響的詳細信息如表2所列。

a.端子電阻
模塊的端子電阻對電路的工作效率的影響如圖2所示。在圖2所示的例子中
，舉例的開關導通損耗比SEMITRANS高11%。這相當於一個每相絕對值約90 W，三相共270 W的功率變頻器。 

b.熱阻
這一參數影響最大允許功率損耗，從而也影響模塊中IGBT和二極管的最大允許的集電極電流。下列因素對決定熱阻的大小至關重要：芯片尺寸（麵積）；模塊設計[焊接、陶瓷基板（DCB）、基板]
；係統設計（導熱矽脂
，散熱器）。不考慮半導體的成本，其通常會占到模塊總成本的50%以上，外殼的選擇會對模塊的額定電流產生巨大的影響。

c.絕緣強度
用於焊接半導體芯片的陶瓷基板的厚度和類型，以及軟模的特性將在很大程度上影響SEMITRANS模塊的絕緣強度。

d.開關電感LCE及其實際效果
電感LCE對IGBT關斷時產生的過電壓來說是一個重要的參數

在(zai)實(shi)際(ji)中(zhong)，高(gao)電(dian)感(gan)與(yu)關(guan)斷(duan)期(qi)間(jian)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)過(guo)電(dian)壓(ya)一(yi)樣(yang)，都(dou)是(shi)不(bu)利(li)的(de)。高(gao)電(dian)感(gan)意(yi)味(wei)著(zhe)器(qi)件(jian)的(de)最(zui)大(da)反(fan)向(xiang)電(dian)壓(ya)會(hui)很(hen)快(kuai)達(da)到(dao)，尤(you)其(qi)在(zai)高(gao)直(zhi)流(liu)母(mu)線(xian)電(dian)壓(ya)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)。例(li)如(ru)，當(dang)在(zai)甩(shuai)負(fu)荷(he)或(huo)在(zai)功(gong)率(lv)回(hui)饋(kui)模(mo)式(shi)下(xia)。當(dang)使(shi)用(yong)低(di)電(dian)感(gan)模(mo)塊(kuai)時(shi)，可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)最(zui)高(gao)效(xiao)率(lv)。模(mo)塊(kuai)電(dian)感(gan)對(dui)最(zui)大(da)關(guan)斷(duan)電(dian)流(liu)的(de)影(ying)響(xiang)如(ru)圖(tu)3 所示，圖中顯示了SEMITRANS3和與其作對比的不同形狀封裝“C”之間的差異。由於模塊的電感小，SEMITRANS3在芯片的最大反向電壓達到之前可切換的電流值要比“C”高30%。受益於主端子加上用於DCB的對稱並聯設計
，SEMITRANS模塊可實現低電感（請注意
，由於模塊電感，半導體芯片上實際產生的電壓永遠高於端子上產生的電壓）。
 
e.並聯時芯片的對稱電流分布
SEMITRANS模塊中，並聯的芯片（IGBT 和二極管）多達8個（見表2）。二極管並聯尤其具有挑戰性，因為Vf的負溫度係數會降低額定電流。為此，SEMIKRON開發了定製解決方案
，滿足高功率應用（為靜態和動態功率分配進行了優化）及高直流環母線電壓應用（在關斷時動態過電壓限製）。

f.多模塊的並聯
對於幾個模塊並聯的情況
，功率降額必須盡可能低。此時，IGBT參數VCEsat的正溫度係數具有正麵的影響。對於二極管的情況，可以采取3.5中描述的那些步驟。SEMITRANS模塊中降額係數介於90%和95%之間。

展望未來
得益於采用了第四代溝槽柵IGBT和CAL 二極管的新1 200 V模塊，SEMITRANS IGBT模mo塊kuai將jiang能neng夠gou續xu寫xie其qi成cheng功gong應ying用yong案an例li。與yu同tong功gong率lv等deng級ji的de其qi它ta模mo塊kuai相xiang比bi，新xin係xi列lie模mo塊kuai所suo帶dai來lai的de性xing能neng提ti升sheng不bu僅jin取qu決jue於yu采cai用yong了le新xin一yi代dai的de芯xin片pian，而er且qie還hai取qu決jue於yu低di的de端duan電dian阻zu和he相xiang對dui較jiao低di的de雜za散san電dian感gan。