3300 V混合SiC IGBT模塊研制與性能分析*

楊曉菲，于 凱，董 妮，荊海燕，劉 爽

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，西安710016）

1 引言

絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）結(jié)合了雙極性晶體管的輸出特性及金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，擁有輸出功率大、開關(guān)頻率高的特性[1]，是目前高壓大功率開關(guān)的最佳選擇，主要應(yīng)用于軌道牽引控制變流器、電機(jī)控制變流器、不間斷電源、焊接設(shè)備、電力轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域[2]。

在IGBT模塊中一般將IGBT芯片與二極管芯片進(jìn)行反并聯(lián)封裝，其中二極管起續(xù)流作用，目前二極管主要采用Si基PIN結(jié)構(gòu)。當(dāng)IGBT再次開啟的時(shí)候，二極管進(jìn)入關(guān)斷過程，在關(guān)斷過程中由于Si基PIN二極管有方向恢復(fù)特性，導(dǎo)致其電流過沖及電壓過沖，電壓過沖會(huì)疊加到IGBT的開通過程，導(dǎo)致IGBT存在電壓尖峰。如果電路設(shè)計(jì)不好或者電壓余量不夠，很容易導(dǎo)致IGBT的過壓損壞。同時(shí)Si基PIN二極管的反向恢復(fù)損耗較大，導(dǎo)致二極管的開關(guān)損耗及整個(gè)器件的開關(guān)損耗變大。

為了減小IGBT開通時(shí)的電壓尖峰，改善開關(guān)損耗，可以用單極型的結(jié)勢(shì)壘控制肖特基二極管（Junction Barrier Control Schottky Diode,JBS）代替PIN結(jié)構(gòu)的二極管。JBS是一種單載流子器件，相較于PIN結(jié)構(gòu)的二極管，幾乎沒有反向恢復(fù)特性，開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小。但由于Si基的JBS器件耐壓一般較低，在幾十伏特到幾百伏特之間，限制了其在IGBT模塊中的應(yīng)用。

碳化硅（SiC）是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，與硅（Si）材料相比，具有高功率密度、高溫性能良好、電子遷移率高和禁帶寬度寬等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。SiC基的JBS器件可以輕易達(dá)到3300 V的電壓等級(jí)甚至更高。與傳統(tǒng)的Si基PIN器件相比，SiC基的JBS器件具有更低能量損耗、更優(yōu)溫度特性和更高的工作頻率，在高壓、大功率、高溫和高頻等應(yīng)用方面具有很大的優(yōu)勢(shì)[2-4]，能夠有效提高系統(tǒng)可靠性。

國內(nèi)外已有關(guān)于Si IGBT+SiC JBS混合模塊的研究報(bào)道，包括3300 V/500 A、1700 V/1200 A等級(jí)的，而對(duì)于3300 V/1500 A等級(jí)的Si IGBT+SiC JBS混合模塊尚無報(bào)道。本文采用3300 V等級(jí)的SiC基JBS器件代替Si基PIN二極管器件，與3300 V等級(jí)的Si基IGBT芯片并聯(lián)，研制3300 V/1500 A混合SiC IGBT模塊[5-6]。本文詳述了混合器件的制造工藝，具備實(shí)際生產(chǎn)的可操作性。通過測(cè)試對(duì)比傳統(tǒng)純Si基器件與Si IGBT+SiC JBS混合模塊的性能差異，并通過相同使用工況的計(jì)算對(duì)比，研究了兩者的損耗差異。研究表明，Si IGBT+SiC JBS結(jié)構(gòu)混合器件有效改善了IGBT開通時(shí)的電壓尖峰以及二極管的開關(guān)損耗。

2 模塊結(jié)構(gòu)

本文采用與成熟的純Si基3300 V/1500 A IGBT模塊（130 mm×140 mm×38 mm，HiPak封裝）相同的結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，采用Si基IGBT芯片+SiC基JBS芯片的形式進(jìn)行3300 V/1500 A混合Si/SiC模塊的研制，Si/SiC混合模塊的外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，電氣原理如圖2所示。

圖1 混合SiC模塊外觀

圖2 電氣原理

Si/SiC混合模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，使用ABB的IGBT芯片（5SMY12J1721，3300 V/62.5 A）和南京電子器件研究所自主研發(fā)的SiC JBS芯片（3300 V/30 A）。Si/SiC混合模塊由6個(gè)子單元組成，每個(gè)子單元由4個(gè)Si基IGBT芯片和8個(gè)SiC基JBS芯片組成。采用氮化鋁（AlN）陶瓷材料的陶瓷覆銅基板可降低模塊熱阻，同時(shí)熱膨脹系數(shù)更接近于芯片材料[7-8]，有利于可靠性的提高。

圖3 混合SiC模塊子單元結(jié)構(gòu)

除子單元外，Si/SiC混合模塊主要部件還包括底板、外殼、頂蓋、電路板、電極、子單元等。

3 仿真分析

利用有限元分析法對(duì)Si/SiC混合模塊的熱分布進(jìn)行仿真，優(yōu)化了其中芯片位置布局，Si/SiC混合模塊的熱分布如圖4所示。IGBT芯片功耗為69.1 W，SiC JBS芯片功耗為6.57 W，模塊采用強(qiáng)制水冷散熱，熱導(dǎo)率為2000 W/(m·K)，對(duì)于模型材料屬性的賦值，均按實(shí)際情況給予設(shè)定，主要材料熱導(dǎo)率如表1所示。

圖4 Si/SiC混合模塊熱仿真分布

表1 主要材料熱導(dǎo)率

仿真結(jié)果顯示IGBT芯片表面溫度最高，最高溫度為82.4819℃，原因是IGBT芯片功耗較大，越靠近中間熱源越集中；二極管芯片由于功耗較小、溫度較低以及熱傳導(dǎo)的作用，靠近IGBT芯片的二極管溫度相對(duì)較高；底板的溫度分布與芯片的溫度分布類似，是由于芯片的熱傳導(dǎo)所致。底板邊緣溫度最低，最低溫度為38.7930℃。從熱分布上看，最高溫度遠(yuǎn)低于芯片的最高結(jié)溫150℃，所以該Si/SiC混合模塊熱分布合理，滿足模塊散熱要求。

4 封裝測(cè)試

Si/SiC混合模塊封裝工藝包括芯片焊接、鋁線鍵合、聚酰亞胺涂敷、子單元焊接、外殼安裝、線路板安裝、線路板鍵合、頂蓋安裝、硅凝膠灌封、電極折彎。

對(duì)封裝完成的Si/SiC混合模塊進(jìn)行測(cè)試，靜態(tài)測(cè)試結(jié)果見表2，動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果見表3。

表2 Si/SiC混合模塊靜態(tài)測(cè)試

表3 Si/SiC混合模塊動(dòng)態(tài)測(cè)試

5 對(duì)比分析

圖5 為Si/SiC混合模塊二極管反向恢復(fù)曲線，從中可以看出二極管幾乎沒有過沖反向恢復(fù)電流，圖6為Si/SiC混合模塊IGBT開通曲線，從圖中可以看到IGBT開通電流幾乎沒有尖峰。與之對(duì)比的Si模塊的二極管反向恢復(fù)電流有明顯過沖，Si模塊二極管反向恢復(fù)曲線如圖7所示；圖8為Si模塊IGBT開通曲線圖，其中IGBT開通電流有明顯尖峰。

圖5 Si/SiC混合模塊二極管反向恢復(fù)曲線

圖6 Si/SiC混合模塊IGBT開通曲線

圖7 Si模塊二極管反向恢復(fù)曲線

圖8 Si模塊IGBT開通曲線

在同等測(cè)試條件下對(duì)比Si/SiC混合模塊與傳統(tǒng)Si基IGBT模塊的主要參數(shù)，表4為對(duì)比結(jié)果。從表中可以發(fā)現(xiàn)，由于SiC基JBS在反向恢復(fù)特性上的優(yōu)勢(shì)，使得Si/SiC混合模塊的特性得到提升。各項(xiàng)對(duì)比如圖9～12所示，與傳統(tǒng)Si基IGBT模塊相比，Si/SiC混合模塊的VF增加了72.2%，但由于Irr減小了91.9%，Erec減小了98.3%，所以使得Si/SiC混合模塊的Eon減小了24.1%，同時(shí)trr也減小了97.5%。特性方面的改善使得Si/SiC混合模塊在實(shí)際應(yīng)用中自身損耗減小，發(fā)熱量減小、可靠性得以提升；也可以在不改變散熱條件的情況下先提升模塊的開關(guān)頻率。

表4 Si/SiC混合模塊與純Si模塊主要參數(shù)對(duì)比

圖9 二極管飽和壓降對(duì)比

圖10 二極管反向恢復(fù)電流、反向恢復(fù)能量對(duì)比

在相同運(yùn)行工況條件下，Si/SiC混合模塊和Si模塊的續(xù)流二極管損耗對(duì)比情況見表5。

圖11 IGBT開關(guān)損耗對(duì)比

圖12 二極管反向恢復(fù)時(shí)間對(duì)比

表5 運(yùn)行工況

計(jì)算公式如下。

IGBT芯片靜態(tài)損耗：

IGBT芯片動(dòng)態(tài)損耗：

續(xù)流二極管芯片靜態(tài)損耗：

續(xù)流二極管芯片動(dòng)態(tài)損耗：

其中，Eon為Tvj=125℃時(shí)的開通損耗；Eoff為Tvj=125℃時(shí)的關(guān)斷損耗；fPWM為開關(guān)頻率，此處為1000 Hz；VCEsat為Tvj=125℃時(shí)IGBT的飽和壓降；Icp為峰值電流；VF為Tvj=125℃時(shí)二極管的導(dǎo)通壓降；D為占空比；cos θ為功率因數(shù)。

根據(jù)上述工況及公式對(duì)兩種模塊的各部分功耗進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表6。從計(jì)算結(jié)果中可以看到，Si/SiC混合模塊的續(xù)流二極管為JBS結(jié)構(gòu)，通態(tài)壓降較大，導(dǎo)致其通態(tài)損耗比Si模塊大，但是其動(dòng)態(tài)損耗只有Si模塊的1.69%，因此Si/SiC混合模塊的續(xù)流二極管總功耗相對(duì)于Si模塊減少了62.1%。得益于SiC JBS二極管的優(yōu)良特性，Si/SiC混合模塊的IGBT開通損耗減小，使得Si/SiC混合模塊IGBT部分的功耗比Si模塊的總功耗減少11.1%。

表6 功耗計(jì)算

6 結(jié)論

本文針對(duì)3300 V/1500 A等級(jí)Si/SiC混合模塊（Si IGBT＋SiC SBD）開展了研究工作，由于SiC JBS的優(yōu)越性能，其反向恢復(fù)過程的峰值電流、損耗幾乎可以忽略，從而提升了混合模塊的性能。與傳統(tǒng)的Si基IGBT模塊相比，125℃時(shí)，Si/SiC混合模塊的VF增加了72.2%，但由于Irr減小了91.9%，Erec減小了98.3%，所以使得Si/SiC混合模塊的Eon減小了24.1%，同時(shí)trr也減小了97.5%。特性方面的改善使得Si/SiC混合模塊在實(shí)際應(yīng)用中自身損耗減小、發(fā)熱量減小、可靠性得以提升；也可以在不改變散熱條件的情況下先提升模塊的開關(guān)頻率。

本文在相同的工況條件下對(duì)不同模塊進(jìn)行了功耗計(jì)算，Si/SiC混合模塊的續(xù)流二極管為JBS結(jié)構(gòu)，通態(tài)壓降較大，導(dǎo)致其通態(tài)損耗線比Si模塊大，但是其動(dòng)態(tài)損耗只有Si模塊的1.69%，因此Si/SiC混合模塊的續(xù)流二極管總功耗相對(duì)Si模塊減少了62.1%。得益于SiC JBS二極管的優(yōu)良特性，Si/SiC混合模塊的IGBT開通損耗減小，使得Si/SiC混合模塊的IGBT部分的功耗比Si模塊的總功耗減少11.1%。