摘要:本文闡述一種被稱作雙模式絕緣柵晶體管（Bimode Insulated Gate Transistor，縮寫為BIGT）的所采用的逆導(dǎo)IGBT概念在實(shí)用化方面的進(jìn)展。介紹了一種采用BIGT技術(shù)制造的額定電流超過2000A的3300V HiPak模塊，給出了靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的測試結(jié)果以及相關(guān)參數(shù)，這反映出采用新技術(shù)后器件的基本性能將要達(dá)到的水平。本文還涉及器件的安全工作區(qū)、軟度、可靠性等其他方面的性能，測試時(shí)的結(jié)溫最高達(dá)到150℃。此外，首次給出了在硬開關(guān)頻率條件下的BIGT的性能。

1引言

從傳統(tǒng)意義上說，制造一個(gè)帶有內(nèi)集成二極管的逆導(dǎo)（RC）晶體管的目標(biāo)是，通過去掉一個(gè)分立的反并聯(lián)二極管，來實(shí)現(xiàn)在給定的封裝管腳尺寸內(nèi)獲得更大的功率。近年來這一方案已經(jīng)在中電壓（600V-1200V）IGBT中實(shí)現(xiàn)，并且主要用于小電流和/或軟開關(guān)領(lǐng)域^[1][2][3]。最近也有3300V RC-IGBT的相關(guān)報(bào)道^[4][5]，這表明這一技術(shù)在高壓領(lǐng)域也是可行的。所制造的新器件稱為雙模式絕緣柵晶體管（BIGT）。

BIGT是一種先進(jìn)的逆導(dǎo)IGBT器件概念，主要目標(biāo)是提高高壓IGBT的功率密度以適應(yīng)下一代電力電子系統(tǒng)的需要。新器件可以工作在續(xù)流二極管模式和（IGBT）晶體管模式，并且在這兩種模式下導(dǎo)電區(qū)域是相同的。所以使用BIGT技術(shù)的目標(biāo)是徹底實(shí)現(xiàn)用BIGT單芯片來替代現(xiàn)有的IGBT/二極管雙芯片，并且提高整體性能，尤其是在硬開關(guān)條件下能呈現(xiàn)出功耗低、開關(guān)軟度大和安全工作區(qū)寬的特性。

通過采用先進(jìn)的短路集電極背面版圖設(shè)計(jì)、優(yōu)化的摻雜分布和受控的壽命削減，使器件在IGBT和二極管兩種模式下都能夠?qū)崿F(xiàn)最佳性能，因而BIGT研發(fā)在器件性能方面取得了顯著的突破。本文報(bào)道了封裝在兩種HiPak模塊中的3.3kV BIGT的最新電學(xué)測試結(jié)果（測試中最高結(jié)溫為150℃）。此外，本文還將首次介紹在硬開關(guān)條件下BIGT模塊的頻率測試結(jié)果。同時(shí)，還給出150℃下的高溫反偏試驗(yàn)等芯片級(jí)可靠性試驗(yàn)結(jié)果。

2 BIGT概念

BIGT是一個(gè)混合結(jié)構(gòu)，它將一個(gè)IGBT和一個(gè)RC-IGBT集成在一個(gè)芯片內(nèi)，如圖1所示。

圖1 BIGT截面圖

這種集成的主要目標(biāo)是消除低溫時(shí)晶體管導(dǎo)通模式下的折回現(xiàn)象，這是通過確保BIGT中IGBT區(qū)的P+集電區(qū)在低壓和小電流時(shí)發(fā)生空穴注入來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)帶有穿通型緩沖層設(shè)計(jì)的薄片結(jié)構(gòu)做成標(biāo)準(zhǔn)的RC-IGBT時(shí)發(fā)生折回現(xiàn)象更明顯，對這類器件而言，BIGT概念的優(yōu)化作用更顯著。

BIGT的背面版圖設(shè)計(jì)和IGBT區(qū)的尺寸確定是經(jīng)過優(yōu)化的，以便能夠使芯片全面導(dǎo)通時(shí)有一個(gè)光滑的過渡（RC-IGBT區(qū)在大電流下也有空穴注入），使RC-IGBT區(qū)（也是二極管導(dǎo)通區(qū)）最大化，使電流非均勻性最小化（尤其是在開關(guān)過程中由集成結(jié)構(gòu)造成的電流不均勻）。另外，IGBT區(qū)的引入可以使RC-IGBT區(qū)的版圖優(yōu)化只針對增大二極管導(dǎo)通面積獨(dú)立進(jìn)行，并且可以使BIGT在晶體管導(dǎo)通時(shí)充分利用整個(gè)芯片面積，從而與當(dāng)前最先進(jìn)的IGBT芯片一樣具有相同的技術(shù)曲線。與標(biāo)準(zhǔn)RC-IGBT設(shè)計(jì)相比，BIGT概念可以在上述參數(shù)間形成更好的折衷。另一方面，為了降低動(dòng)態(tài)和開關(guān)損耗，BIGT優(yōu)化遇到的主要挑戰(zhàn)是：在實(shí)現(xiàn)二極管模式下低恢復(fù)損耗的同時(shí)，對晶體管模式下通態(tài)損耗沒有顯著影響。這一目標(biāo)通過以下三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)。

第一步是對發(fā)射極P阱元胞和集電極P+/N+區(qū)摻雜的精細(xì)控制。如圖1所示，增強(qiáng)的平面型(EP)元胞技術(shù)^[6]不包括高摻雜P+阱區(qū)域，而且N增強(qiáng)層還產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng)。這兩個(gè)特征使我們有機(jī)會(huì)利用精細(xì)的P阱摻雜分布獲得低注入效率以實(shí)現(xiàn)更好的二極管性能，與此同時(shí)還能保持EP設(shè)計(jì)下IGBT的典型低功耗。第二步優(yōu)化是采用局域P阱壽命（LpL）控制技術(shù)(參見圖1 頂部)。該技術(shù)利用精確控制的粒子注入進(jìn)一步減小二極管反向恢復(fù)壽命，同時(shí)又不使晶體管損耗和阻斷特性變差。第三步是采用質(zhì)子輻照實(shí)現(xiàn)均勻的局域壽命控制以進(jìn)一步降低反向恢復(fù)功耗。

3 3.3kV BIGT

BIGT技術(shù)主要針對高壓器件開發(fā)。本文報(bào)告的是一個(gè)3300V/62.5A BIGT芯片，其有源區(qū)面積為1cm²。利用該芯片制造的大電流3.3kV HiPak1 （140×130）mm和HiPak2（140×190）mm BIGT模塊與當(dāng)前最先進(jìn)的IGBT模塊在相近條件下進(jìn)行了對比測試，如圖2所示。

圖2 3300V BIGT 模塊測試電路

圖3對比了一個(gè)常規(guī)的IGBT/二極管基底和一個(gè)新型的BIGT基底，前者包含4個(gè)IGBT芯片和2個(gè)二極管芯片，后者包含6個(gè)BIGT芯片。通過以下事實(shí)可以清楚看出BIGT的優(yōu)勢：包含有4個(gè)BIGT基底（共24個(gè)BIGT芯片）的HiPak1模塊在實(shí)際應(yīng)用中可以替代一個(gè)體積更大的1500A HiPak2 SPT+ IGBT模塊，后者通常包括6個(gè)基底（共24個(gè)IGBT芯片和12個(gè)二極管芯片）。體積更大的常規(guī)IGBT模塊還有一個(gè)更糟糕的缺點(diǎn)就是其二極管面積偏小，這對工作于整流模式和抗浪涌電流能力來說都是一個(gè)限制因素。另一方面，體積更大的HiPak2 BIGT模塊包含了一共36個(gè)BIGT芯片，其額定電流可高達(dá)2250A。

圖3 3300V HiPak1基底，左為BIGT基底，右為IGBT/二極管基底

4電學(xué)性能

在標(biāo)稱條件下和SOA條件下對3.3kV HiPak BIGT模塊進(jìn)行了電學(xué)特性測試，包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種特性。對于動(dòng)態(tài)特性其直流鏈路電壓標(biāo)稱值為1800V，而在SOA測試中，該電壓值升至2400V。在所有動(dòng)態(tài)測試中RGon和RGoff分別固定為1.0Ω和1.5Ω，并且在柵-發(fā)射極之間并聯(lián)了一個(gè)220nF的電容C_ge。測試結(jié)果如下。

4.1靜態(tài)特性

BIGT的IGBT模式和二極管模式下的通態(tài)特性見圖4，包含25℃和125℃兩個(gè)測試溫度。這是對標(biāo)稱375A的一個(gè)BIGT基底進(jìn)行測試得到的結(jié)果。在IGBT模式和二極管模式下，當(dāng)電流達(dá)到標(biāo)稱375A時(shí)，其125℃下通態(tài)壓降都為3.5kV。兩種模式即使在很小電流下其曲線均呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的正溫度系數(shù)特性，這歸因于BIGT結(jié)構(gòu)中優(yōu)化的發(fā)射極注入效率和壽命控制。正溫度系數(shù)有利于芯片的安全并聯(lián)。

圖4 3300V BIGT基底通態(tài)特性

4.2標(biāo)稱條件下的開關(guān)特性

圖5和圖6分別給出了3.3kV HiPak1 BIGT模塊和HiPak2 SPT+ IGBT模塊的關(guān)斷和開通波形，測試條件為標(biāo)稱條件：V_DC=1800V，I_C=1500A ,T_j=125°C。同時(shí)也給出了模塊的開關(guān)損耗。觀察這些波形可以將BIGT模塊在IGBT模式下和二極管模式下的開關(guān)行為與當(dāng)前最先進(jìn)的IGBT模塊進(jìn)行對比。關(guān)于標(biāo)稱條件下反向恢復(fù)特性的類似比較在圖7中給出，其中di/dt均超過了6kA/us。

圖5 3300V BIGT HiPak1（上：E_off=2.8J）和SPT+ IGBT HiPak2（下：E_off=2.7J）在標(biāo)稱條件下的關(guān)斷波形

圖6 3300V BIGT HiPak1（上：E_on=2.2J）和SPT+ IGBT HiPak2（下：E_on=1.9J）在標(biāo)稱條件下的開通波形

圖7 3300V BIGT HiPak1（上：E_rec=2.3J）和SPT+IGBT HiPak2（下：E_rec=2.2J）在標(biāo)稱條件下的反向恢復(fù)波形

4.3軟度特性

新BIGT技術(shù)在IBGT模式和二極管模式下都天然地具有極軟的開關(guān)行為^[5]。在兩種模式下關(guān)斷拖尾階段，優(yōu)化的集電極P+摻雜可以使通往N+區(qū)的電子產(chǎn)生一個(gè)橫跨PN結(jié)的電勢，從而強(qiáng)加一個(gè)向基區(qū)的受控的電荷抽取或空穴注入。圖8給出了HiPak1 BIGT模塊和SPT+ HiPak2 IGBT模塊在I_C=500A，V_DC=2400V，T_j=125℃關(guān)斷軟度。相應(yīng)的反向恢復(fù)軟度特性在圖9中給出，其中測試電流是很小的50A，V_DC =2400V，T_j=125℃。

圖8 3300V BIGT HiPak1 （上）和SPT+IGBT HiPak2（下）的關(guān)斷軟度

圖9 3300V BIGT HiPak1 （上）和SPT+IGBT HiPak2（下）的反向恢復(fù)軟度

這一特征對于BIGT技術(shù)的實(shí)用化具有特別重要的意義，因?yàn)槿绻槍IGT二極管工作模式的設(shè)計(jì)是非優(yōu)化的，其軟度預(yù)計(jì)會(huì)下降，且二極管的面積也會(huì)增加。

4.4 SOA特性

下面將給出T_j=150℃下的SOA開關(guān)性能，以體現(xiàn)BIGT模塊的穩(wěn)固性。圖10 給出了電流3000A，V_DC=2400V下的關(guān)斷波形。相同條件下的反向恢復(fù)波形由圖11給出。

圖10 150℃下3300V BIGT HiPak1 SOA關(guān)斷波形。峰值功率=7.9MW

圖11 150℃下3300V BIGT HiPak1 SOA反向恢復(fù)波形。峰值功率=3.5MW

BIGT HiPak1 模塊在150℃、V_DC=2400V下的短路特性由圖12給出。BIGT顯示出了堅(jiān)固的短路特性，在上述條件下的平均短路電流為6500A。

圖12 150℃下3300V BIGT HiPak1短路波形

4.5 3.3kV/2250A HiPak2 BIGT

本節(jié)我們將給出3.3kV HiPak2 BIGT模塊的開關(guān)測試結(jié)果，這一模塊的電流額定值預(yù)計(jì)可達(dá)2250A。所有測試在150℃下進(jìn)行。標(biāo)稱條件下的關(guān)斷和反向恢復(fù)波形在圖13和圖14 中分別給出。相應(yīng)的SOA關(guān)斷波形見圖15，測試條件為電流4500A，V_DC=2400V，溫度150℃。另一方面，SOA反向恢復(fù)波形在圖16中給出，該波形在3000A電流下形成最大峰值功耗。

圖13 150℃下3300V BIGT HiPak2標(biāo)稱條件下關(guān)斷波形。E_off=4.5J

圖14 150℃下3300V BIGT HiPak2 標(biāo)稱條件下反向恢復(fù)波形。E_off =3.2J

圖15 150C下3300V BIGT HiPak2 SOA關(guān)斷波形。峰值功率=12MW

圖16 150C下3300V BIGT HiPak2 SOA反向恢復(fù)波形。峰值功率=4.2MW

5頻率及可靠性測試

利用圖17 所示的H橋測試電路首次對3.3kV HiPak1 BIGT模塊進(jìn)行了PWM頻率測試。在約30分鐘的測試時(shí)間內(nèi)最高結(jié)溫為120℃，測試采用了三種工作頻率：500Hz，1000Hz，1500Hz。如圖18所示，測試直流鏈路電壓為2100V，峰值電流可達(dá)800A。

圖17 DC-AC 變換H-橋電路結(jié)構(gòu)圖

圖18 BIGT模塊頻率測試中的PWM電壓-電流波形圖

頻率測試的這些結(jié)果首次展示出在硬開關(guān)條件下單個(gè)芯片在IGBT和續(xù)流二極管兩種模式下工作的可行性^[7]。

此外還進(jìn)行了BIGT芯片的可靠性試驗(yàn)。BIGT成功的通過了高溫反偏（HTRB）應(yīng)力試驗(yàn)，反偏電壓為2640V，在125℃下持續(xù)168小時(shí)，接著在150℃下進(jìn)行第二個(gè)168小時(shí)。另外，還通過了測試條件為V_ge=25V、溫度150℃、持續(xù)168小時(shí)的高溫柵偏（HTGB）試驗(yàn)，以及測試條件為V_ge=25V、V_ce=80V，持續(xù)168小時(shí)、濕度85%的加濕（HAST）試驗(yàn)。

6結(jié)論

BIGT技術(shù)的實(shí)用化為未來要求有緊湊的系統(tǒng)、更高的功率等級(jí)的高壓應(yīng)用提供了一個(gè)潛在的解決方案，而常規(guī)的雙芯片的方案被證明不能滿足這種高壓應(yīng)用需求。本文報(bào)道了最新的額定電流超過2000A的3300V BIGT HiPak模塊的測試結(jié)果，展望了新技術(shù)的潛力和基本性能水平，隨著BIGT進(jìn)入到產(chǎn)品開發(fā)階段，這一潛力和性能水平有望得以實(shí)現(xiàn)。

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