igbt-modules: IGBT technologies : текущее состояние и перспективы

Как и обещал ранее, размещаем обзор (2007г.)

Технологии IGBT: текущее состояние и перспективы
Андрей Колпаков, инженер ООО «СЕМИКРОН»
e-mail: Аndrey.Kolpaкov@semiкron.com

Annotation – short overview of the current and future IGBT technology, analysis of the static and dynamic behaviour for different types of IGBT

Keywords – IGBT modules, IGBT technology, static behaviour, dynamic behaviour, SPT, NPT, TRENCH 4, Hyperfast
ВВЕДЕНИЕ
В технической литературе часто можно встретить заключения авторитетных специалистов о том, что технология IGBT себя изжила, все параметры доведены до физических пределов, значительных улучшений не предвидится. Однако практика последних лет показывает, что как только таких мнений становится достаточно много, обязательно появляется очередная идея, приводящая к новому качественному скачку в технологии этих чрезвычайно популярных силовых ключей. Данный процесс идет по спирали, и мы видим, что даже эволюционные изменения, подчас связанные с небольшой доработкой структуры или появлением нового слоя, приводят к существенному улучшению характеристик. В предлагаемой статье дается краткий обзор существующих поколений IGBT и приводится информация о новых технологиях, которые придут к нам в ближайшем будущем.
//Изменения, происшедшие в 2008-м году будут добавляться по ходу дела. Прим.ред//
//Исправления корявостей в тексте (таблицы) тожею прим.ред//
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Рис. 1. Триада компромиссных требований

Постоянные улучшения, вносимые в процесс изготовления кристаллов, писк новых технологических решений и совершенствование существующих процессов, приводят к непрерывным эволюционным изменениям характеристик силовых ключей. Революционные инновации связаны в первую очередь с технологиями тонких пленок, применение которых позволяет не только повысить экономическую эффективность производственных процессов, но и создавать IGBT с принципиально новыми свойствами. В первую очередь здесь имеются в виду ключи с симметричной пробойной характеристикой (RB IGBT – Reverse Blocking IGBT) и ключи с функцией обратной проводимости (RC IGBT – Reverse Conducting IGBT), об их основных особенностях мы поговорим во второй части статьи. Разработкой кристаллов подобного типа занимаются ведущие мировые поставщики чипов: Infineon, ABB, Mitsubishi.
Характеристики «идеального» транзистора, к которым стремятся производители кристаллов, подразумевают удовлетворение трем основным требованиям, показанным в виде «триады компромиссов» на рисунке 1. Для того чтобы электронный релейный элемент мог считаться «почти идеальным» он, в первую очередь, должен иметь близкие к нулевым потери проводимости, которые определяются сопротивлением открытого канала Rdson для MOSFET или напряжением насыщения V_CEsat для IGBT. В то же время, транзистор должен выдерживать высокое обратное напряжение VCE в выключенном состоянии и иметь минимальные потери выключения Eoff.
Соотношение характеристик V_CEsat, VCE и Eoff и оп-ределяет в основном уровень IGBT, как биполярного силового ключа. Для униполярной MOSFET структуры в качестве основного критерия используется соотношение Rdson и обратного напряжения V_DSS. Естественным третьим параметром, от которого зависит надежность и безопасность работы транзистора во всех режимах, является область безопасной работы ОБР (или SOA – Safe Operating Area). Эта характеристика должна обеспечиваться в 3 основных режимах, соответственно она имеет 3 составляющих: ОБР в состоянии проводимости (FBSOA – Forward Biased SOA), в выключенном состоянии (RBSOA – Reverse Biased SOA) и при коротком замыкании (SCSOA – Short Circuit SOA).

НЕСКОЛЬКО СЛОВ О «СТАНДАРТНЫХ» IGBT
Однозначно определить термин «стандартная технология» в применении к современной силовой электронике достаточно сложно. Развитие технологий полупроводников происходит столь быстро, что мы подчас не успеваем заметить, когда новое становится стандартным, а стандартное – устаревшим. Однако возьмем на себя смелость назвать стандартной технологию производства IGBT с применением эпитаксиальных пленок, тем более что это недалеко от истины. Напомним, что эпитаксиальная технология, до сих пор применяемая при производстве IGBT и называемая также PT (Punch Through), имеет следующие недостатки:
• ограниченная область безопасной работы: полный ток допускается при напряжении VCE, не превышающем 80% от номинального значения для снижения вероятности защелкивания;
• возможность «защелкивания» при предельных рабочих токах, связанная с наличием паразитной триггерной структуры (во всех современных IGBT паразитная структура практически подавлена);
• протяженный и зависящий от температуры «хвост» тока (tail current), результатом чего являются высокая энергия потерь при выключении Eoff. «Хвостом» называется остаточный ток коллектора биполярной части IGBT, возникающий из-за рассасывания носителей в области базы после запирания транзистора;
• отрицательный температурный коэффициент напряжения насыщения, приводящий к статическому разбалансу токов при параллельном соединении.

Относительно новым «стандартом», широко применяемым многими производителями (особенно для быстрых IGBT), является технология NPT (Non Punch Through). При изготовлении чипов NPT (см. рис. 2а) используется однородный диффузионный n- слой под-ложки толщиной около 200 мкм. На нем располагается планарный затвор, а биполярный PNP транзистор формируется с помощью добавления слоя p+ в основании базы. Описанная гомогенная структура лишена недостатков PT IGBT, в частности она имеет высокую стойкость к короткому замыканию, положительный температурный коэффициент напряжения насыщения и прямоугольную область безопасной работы RBSOA. Возможность защелкивания в NPT IGBT исключена для всех значений рабочих токов вплоть до тока ко-роткого замыкания. Однако для обеспечения высокой стойкости к пробою такая структура должна иметь широкую область подложки, следствием чего является сравнительно большое значение напряжения насыщения.
На базе NPT разработано несколько новых типов кристаллов, применяемых при производстве современных модулей. Прежде всего, это SPT и Trench, предлагаемые основными поставщиками чипов IGBT для рынка силовой электроники: ABB и Infineon. Такие кристаллы используют ведущие европейские производители компонентов для силовой электроники – SEMIKRON и EUPEC.
Основными параметрами, по соотношению которых определяются частотные свойства кристалла IGBT, его «специализация», являются напряжение насыщения, заряд затвора и энергия переключения. Каждый из упомянутых выше типов IGBT имеет свои преимущества с точки зрения области применения. На рисунке 2 показано строение кристаллов IGBT, производимых по технологиям NPT, SPT, Trench, а их типовые характеристики приведены в таблице 1.

Рис. 2. Особенности строения кристаллов NPT, SPT, Trench-FS IGBT

Чипы SPT содержат дополнительный буферный n+ слой, расположенный между подложкой и p+ областью коллектора. Буферный слой повышает стойкость транзистора к пробою, опасность которого возрастает из-за уменьшения толщины подложки. Благодаря меньшей толщине чипа у SPT транзисторов снижены потери проводимости.
Модули SPT имеют оптимизированные характеристики выключения: линейное нарастание напряжения при выключении, более плавный переходный процесс, меньший уровень перенапряжения, сокращенный «хвост» тока. Энергия переключения SPT-IGBT, как правило, ниже, чем у модулей, выполненных по NPT технологии. Площадь кристалла и тепловые характе-ристики обоих типов IGBT соизмеримы.
При изготовлении Trench-FS (Field Stop) транзисторов также используется буферный n+ слой в основании подложки, как показано на рисунке 2с. Однако у этого типа кристаллов затвор выполнен в виде глубокой канавки (trench) в теле подложки. Такая структура затвора в сочетании с модифицированной конструкцией эмиттера позволяет оптимизировать распределение носителей в области подложки. В результате напряжение насыщения транзисторов Trench-FS оказывается на 30% ниже, чем у NPT, а площадь кристалла – меньше почти на 70%. Соответственно, технология Trench-FS позволяет получить большую плотность тока. «Платой» за все описанные улучшения является повышенное тепловое сопротивление и заряд затвора. Стоимость изготовления кристаллов Trench несколько выше, чем SPT, однако для их производства требуется меньше кремния, что нивелирует разницу в цене

Таблица 1. Основные характеристики типов IGBT (на примере модулей SEMIKRON)
Параметр, условия измерения		UltraFast (125)	Trench (126)	SPT (128)
VCEsat, В	Tj=25 C	3,3	1,7	2,0
	Tj=125 C	4,1	2,0	2,3
Темп.коэфф VCEsat	Tjmin - Tjmax	положительн	положительн	положительн
Etot, мДж	Tj=125 C, Ic = 100 A	15	25	21
Qg, нКл	Ic = 100 A	1000	700	1000
	Sck = 100 mm²	620	700	620

V_CEsat – напряжение насыщения;
Etot – общая энергия переключения;
Qg – заряд затвора;
Tj – температура кристалла;
IC – ток коллектора;
Sch – площадь кристалла.

Технологии изготовления SPT и Trench являются на сегодняшний день наиболее отработанными, их преимущества перед стандартными IGBT очевидны. Применение Trench-FS позволяет получить сверхнизкие потери проводимости, а SPT обеспечивают хороший компромисс характеристик проводимости и переключения. Оба типа модулей IGBT характеризуются высокой стойкостью к короткому замыканию (КЗ) и обладают эффектом самоограничения тока коллектора на уровне, не превышающем 6-кратного номинального значения. В результате этого существенно снижается уровень перенапряжений при мгновенном срабатывании защиты от КЗ.

Рис. 3. Зависимость максимального тока (среднеквадратичное значение) от частоты для различного типа кристаллов IGBT

На рисунке 3 приведена зависимость максимально допустимого тока 3-фазного инвертора от частоты ШИМ для разного типа кристаллов IGBT. Условия эксплуатации и тепловые режимы, при которых были сделаны расчеты тока, также показаны на рисунке. Вычисления и построение графиков производились с помощью программы теплового расчета SEMISEL, разработанной специалистами SEMIKRON и доступной на сайте http://semisel.semikron.com/

HYPERFAST IGBT
До сих пор самыми «быстрыми» IGBT считались транзисторы серии WARP II, разработанные компанией International Rectifier и способные по своим динамическим свойствам заменить в некоторых применениях MOSFET. Однако такие компоненты выпускаются только в дискретных корпусах и предназначены для диапазона малых токов. Высокочастотные модули IGBT до настоящего времени изготавливались по технологии UltraFast NPT.

Рис. 4. А – зависимость мощности потерь от частоты для различных классов быстрых IGBT, В – соотношение прямого падения напряжения и заряда обратного восстановления для диодов Turbo 2

В конце 2005 года компанией SEMIKRON было объявлено о начале производства сверхбыстрых модулей IGBT семейства HyperFast, предназначенных для работы на частотах свыше 30 кГц. Модули серии 067 с рабочим напряжением 600 В в конструктиве SEMITOP, , рассчитанные на применение в диапазоне мощности до 20 кВт, уже появились в производственной программе компании. Они выпускаются в различ-ных конфигурациях, включая полумосты, чопперы и однофазные мосты, номинальный ток в зависимости от типа корпуса находится в диапазоне от 45 до 83 А.
Как показывают графики зависимости мощности потерь от частоты переключения, приведенные на рисунке 4а, преимущества модулей HyperFast наиболее ярко проявляется на частотах выше 30…40 кГц. На меньших частотах их применение нецелесообразно из-за достаточно высоких потерь проводимости. Прямое падение напряжения V_CEsat для ключей 067 серии составляет примерно 2,7 В при номинальном токе, зато энергия переключения у них снижена почти на 30% по отношению к компонентам класса UltraFast NPT.
Чтобы добиться максимальной эффективности применения модулей HyperFast на высоких частотах, компанией SEMIKRON было разработано новое поколение сверхбыстрых антипараллельных диодов, названных Turbo 2. На рисунке 4b приведена характери-стика, определяющая соотношение прямого напряжения VF и заряда обратного восстановления Qrr для компонентов данного класса. По сравнению с диодами серии CAL предыдущего поколения величина Qrr снижена в 3 раза, значение пикового тока обратного восстановления IRRM – почти в 2 раза при одновременном уменьшении VF на 25…30% (при температуре кристалла 125С)!

IGBT SPT+
Новость о появлении нового поколения модулей SEMIKRON SEMiX с кристаллами SPT+ [4] стала, пожалуй, самой интересной на выставке PCIM-2006, проходившей в Нюрнберге с 28 мая по 1 июня. Если заявленные характеристики данного класса IGBT окажутся реализованными, то у разработчиков впервые появятся по настоящему универсальные модули, способные одинаково хорошо работать во всем диапазоне приводных частот.
Усовершенствованная технология производства кристаллов IGBT, названная SPT+, была разработана компанией АВВ в 2005 году, а в начале 2006 года кристаллы стали доступны для коммерческого применения. Доработка базовой технологии SPT заключается в оптимизации элементов структуры, отвечающих за распределение носителей заряда в области n- подложки. Данное усовершенствование позволило улучшить электрические характеристики ключей и одновременно уменьшить размер чипов. Кристаллы SPT+ обеспечивают более плавный характер переключения и имеют большую стойкость к dI/dt в режиме выключения при меньшем напряжении насыщения.
Снижение dI/dt в номинальных режимах, достигнутое благодаря модификации структуры чипа, позволяет уменьшить уровень перенапряжений на DC-шине и улучшить электромагнитную совместимость, что особенно важно для высокочастотных применений. Сравнительные характеристики базового и нового модулей, в каждом из которых использовано параллельное соединение 3 кристаллов с номинальным то-ком 100 А, приведены в таблице 2.

Таблица 2. Сравнительные характеристики SPT и SPT+ IGBT
Параметры SPT (128) SPT+ (S2)
Напряжение насыщения
VCEsat @ 25/125C, B 1,9/2,1 1,6/1,8
Энергия потерь Eon + Eoff,
мДж @ 100 A 17,5 17,8
Макс. допустимая ско-рость
изменения dI/dtmax, А/мкс 5250 5600
Размер кристалла @ 100 А, мм2 158 134
Тепловое сопротивление Rthjc
@ 100 А, C/Вт 0,17 0,19
Плотность тока, А/см2 85 96

На рисунке 5 показаны эпюры, демонстрирующие разницу в динамических свойствах базового и нового кристаллов. Как видно из графиков, использование модулей SPT+ позволяет при тех же значениях резистора затвора RG получить меньшее значение скорости выключения dI/dt и пикового тока восстановления ICmax, результатом чего является меньшее перенапряжение на шине звена постоянного тока и более высокая надежность работы в динамических режимах.

Рис. 5. Динамические свойства SPT и SPT+ при различных значениях резистора затвора Rg

Предельная рабочая температура кристаллов SPT+ составляет 175С, что означает увеличение запаса по предельному току на 20…25%. Кроме пониженного уровня статических и динамических потерь, новая технология имеет еще одно уникальное свойство: кристаллы SPT+ обладают способность к т.н. самоограничению (self-clamping) напряжения на коллекторе, как показано на рисунке 6. Т.о. SPT+ являются первыми низковольтными IGBT, способными поглощать ограниченную энергию лавинного пробоя (Avalanche Energy). До сих пор эта характеристика была присуща только технологиям MOSFET, о свойстве самоограничения также было заявлено для новых высоковольтных модулей ABB с рабочим напряжением 2,5…4,5 кВ.
Для повышения экономической и технической эффективности преобразовательной техники современные разработчики стараются использовать силовые ключи в пиковых режимах, оставляя все меньше «запаса» по предельным характеристикам, будь то температура кристалла или напряжение питания. Именно поэтому повышение плавности процесса переключения и снижение уровня перенапряжений так важно для силовых модулей. В этой связи возможность самоограничения обеспечивает еще большую надежность работы в динамических режимах.

Рис. 6. Самоограничение напряжения на коллекторе SPT+

Специалистами компании SEMIKRON были проведены специальные исследования с целью определения стойкости к пробою различных технологий IGBT. В левой части рисунка 6 показана зона допустимых значений энергии лавинного пробоя и уровень напряжения ограничения для кристаллов Trench и SPT с рабочим напряжением 1200 В. Как видно из рисунка, уровень Eav для нового поколения кристаллов повы-шен почти на порядок по сравнению с технологией Trench 3.
На рисунке 6b приведены эпюры, полученные при отключении модуля SPT+ с номинальным током 600 А, работающего на индуктивную нагрузку без оппозитного диода. Измерения были проведены при следующих условиях: ток отключения – 600 А, напряжение на шине питания – 600 В, индуктивность нагрузки – 10,2 мкГн. Как показывает график VCE (синяя эпюра), напряжение на коллекторе достигает значения примерно 1450 В и далее ограничивается на время спада тока коллектора. Описанное свойство новых кристаллов является очень полезным, обеспечивающим больший запас по надежности. Однако не следует забывать, что уровень ограничения находится за границами предельных режимов работы, превышение которых должно быть исключено на этапе проектирования.
Инженерные образцы модулей SEMiX серии 12S2 с кристаллами SPT+ и техническая документация стала доступна летом 2006 года. Пробная серия должна быть выпущена в октябре, тогда же закончатся квали-фикационные испытания. До конца 2006 года должны появиться и модули серии 17S2 с рабочим напряжением 1700 В. Компания SEMIKRON планирует выпускать силовые ключи серии 12S2 в корпусе SEMiX 13 (3-х фазный мост) с током 70…450 А, рабочий ток полумостовых модулей в корпусах SEMiX 2…4 будет находиться в диапазоне 150 до 600 А. Полумосты с напряжением 1700 В серии 17S2 предполагается производить на ток от 150 до 600 А.

К концу 2006 года также планируется выпуск новых антипараллельных диодов CAL4, которые будут использоваться совместно с SPT+ IGBT. Они рассчитаны на эксплуатацию при температуре до 175С, а предельный ток CAL4 должен быть на 40% выше, чем у используемых в настоящее время серий аналогичных элементов. Сравнительные характеристики антипараллельных диодов SEMIKRON, определяющие соотношение заряда обратного восстановления Qrr и прямого падения напряжения VF, приведены на ри-сунке 7.

IGBT TRENCH 4
Модули IGBT в стандартных конструктивах еще долго будут востребованы рынком, поэтому над их модернизацией работают практически все фирмы - изготовители. В производственной программе SEMIKRON семейство стандартных IGBT модулей носит название SEMITRANS, а сами корпуса называются SEMITRANS 1…4 для одиночных и полумостовых конфигураций и SEMITRANS 6, 7 для 3-х фазных мостов.
Технология Trench IGBT 3 поколения, используемая при производстве модулей SEMIKRON 126 и 176 серий, обеспечивает сверхнизкие статические потери. До недавнего времени характеристики проводимости этих ключей считались одними из лучших в своем классе, а сами модули были предназначены для использования в низкочастотных применениях.
Усовершенствованная технология Trench 4 поколения, разработанная Infineon, позволяет расширить область рабочих частот, улучшить электрические параметры силовых ключей и одновременно уменьшить размер чипов. Доработка прежней Trench технологии заключается в оптимизации вертикальной структуры чипа, позволившей существенно снизить потери переключения. С появлением модулей серии Т4 название Trench IGBT перестало быть синонимом низкочастотных ключей. Теперь наравне с SPT+ эти элементы претендуют на звание универсальных, широкополосных.
Сравнительные характеристики Trench IGBT 3 и 4 поколения, а также модулей 128 серии, производимых по технологии SPT с планарным затвором, приведены в таблице 3. Некоторое увеличение теплового сопротивления Т4 (как и SPT+) и напряжения насыщения является неизбежной платой за снижение размера кристалла.

Таблица 3. Сравнительные характеристики Trench 3 и Trench 4
Параметры Trench 3 (126) Trench 4 (Т4)
Напряжение насыщения
VCEsat @ 25/125C, B 1,7/2,0 1,85/2,2
Энергия потерь Eon + Eoff
@ 100 А, мДж 25,6 17,8
Заряд затвора Qg
@ 100 А, нКл 800 700
Относительный размер кристалла
при номинальном токе, % 85 70
Тепловое сопротивление
Rthjc @ 100 А, С/Вт 0,24 0,27

Ниже перечислены основные преимущества Trench 4 по сравнению с IGBT предыдущих поколений:
• меньше размер кристаллов;
• плотность тока повышена до 125A/см²;
• энергия выключения снижена на 30%;
• меньше удельный заряд затвора;
• предельная температура кристалла повышена 175ºC, увеличение запаса по предельному току на 20…25%;
• более плавный характер переключения (скорость выключения dI/dt снижена примерно на 22%).
Как и SPT+ модули новой серии Trench имеют более плавный характер переключения и меньшие динамические потери.
Компоненты серии T4 с кристаллами Trench 4 IGBT будут производиться в полумостовой конфигурации GB на ток от 50 до 400 А, а в виде одиночных ключей GA – на ток 400 и 600 А. Инженерные образцы модулей SEMITRANS серии 12T4 с кристаллами Trench 4 должны быть доступны в конце 2006 года.//Уже доступны. прим.ред //

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для технологов и производителей чипов термин IGBT означает единичную структурную ячейку шириной несколько микрон на кремниевом чипе. Для, пользователей, разработчиков изделий силовой электроники, транзистор или модуль IGBT – это, прежде всего, силовой ключ в изолированном или неизолированном корпусе, обладающий набором определенных параметров. Кроме электрических характеристик нас интересует ОБР ключа, его надежность, устойчивость к внешним воздействиям, а также функциональная полнота, если речь идет об интеллектуальных силовых модулях.
Вопросы технологии производства чипов, как правило, затрагивают только самых пытливых пользователей, однако они все сильнее вторгаются в нашу жизнь. Например, повсеместное принятие экологических директив, в частности отказ от применения свин-ца требуют кардинального изменения многих технологических процессов. Особенно это касается тонкопленочных технологий, где требуется разработка новых материалов металлизации. Именно растущие экологические требования привели к появлению т.н. «граничных» технологий IGBT, в частности субмикронной планарной (submicron-rule planar gate IGBT), которая возможно станет одной из базовых технологий будущего.
Как уже было сказано в начале статьи, развитие технологий IGBT идет по спирали. Вот основные эта-пы, пройденные на пути совершенствования этих уникальных силовых ключей:
• 1978: запатентована структура IGBT;
• 1986: разработана двухслойная эпитаксиальная технология PT-IGBT (планарный затвор DMOS);
• 1988: разработана тонкопленочная технология NPT-IGBT (n- подложка, планарный затвор);
• 1996: разработана технология PT-IGBT (затвор Trench);
• 1999: разработана технология Trench FS-IGBT;
• конец 90-х: разработана технология RB-IGBT;
• 2000: разработана технология SPT-IGBT (пла-нарный затвор);
• 2001: разработана технология PT-CSTBT (за-твор Trench);
• 2004: разработана технология LPT-IGBT (LPT-CSTBT) и RC-IGBT;
• 2005/2006: разработаны технологии SPT+ IGBT (планарный затвор) и Trench 4 IGBT (затвор Trench);
Информация, представленная в статье, еще раз подтверждает наш тезис о том, что путь совершенствования Биполярных Транзисторов с Изолированным Затвором не пройден до конца, а сам IGBT неисчерпаем как атом. До предела, означающего нулевые потери проводимости и переключения, еще далеко, и мы надеемся, что ближайшие годы принесут нам еще много интересных открытий в области технологий силовых полупроводников.

[1] Ralph Annacker, Markus Hermwille. “1200V Modules with Optimised IGBT and Diode Chips.” Semikron Elektronik GmbH, 2001.
[2] J. Li, R. Hetzer, R Annacker, B. Koenig. Modern IGBT/FWD chip sets for 1200V applications. Semikron Elektronik GmbH, 2002.
[3] Колпаков А.И. “SEMITRANS – один в пяти лицах”. Компоненты и Технологии №8, 2003.
[4] D. Seng, A. Wahi. New 1200V SPT+ IGBT Chips in SEMiX Power Modules Platform. SEMIKRON International, 2005.
Technorati tag IGBT modules, IGBT technology, SPT, NPT, TRENCH 4, Hyperfast, технология