短路电流作为绝缘栅双极型晶体管模块键合线老化特征量的机理研究

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)是功率变流器中故障率最高的元器件,键合线老化脱落是其中最常见的一种失效形式。文中研究短路电流作为IGBT模块键合线老化特征量的机理。首先简述IGBT模块键合线老化对应的内部寄生参数与短路电流的定性关系,建立包含键合线和铝金属基板的发射极等效电阻网络模型。依据键合线分布情况,分析键合线老化对电阻网络的影响,进而分析对短路电流的影响关系,最后对不同键合线老化状态下的IGBT模块的短路电流进行实验测量和分析。分析结果表明,等效电阻网络模型能很好地反映键合线分布情况与老化特征量之间的对应关系,实验结果与理论分析基本一致,验证了短路电流作为IGBT模块键合线老化特征量机理研究的正确性。

空穴注入控制型横向绝缘栅双极晶体管

提出了空穴注入控制型横向绝缘栅双极晶体管（ Ｃ Ｉ Ｌ Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ），它可以有效地控制高压下阳极区空穴注入，提高器件的闭锁电压。通过对阳极区反偏 ｐ＋ ｎ＋ 结击穿电压 Ｂ Ｖ Ｚ、取样电阻 Ｒ Ａ 和阳极区结深的优化，提高了 Ｃ Ｉ Ｌ Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ 的抗闭锁能力，降低了其导通压降，并获得了初步实验结果。

一种可快速关断的新型横向绝缘栅双极晶体管

提出了一种可快速关断的新型横向绝缘栅双极晶体管(LIGBT)。在LIGBT关断时,利用一个集成的PMOS晶体管来短路发射结,以获得短的关断时间。PMOS晶体管由LIGBT驱动,不需要外部驱动电路。新器件在没有带来任何副作用(如snap-back现象和工艺制造上的困难)的情况下,获得了低的导通压降和快的关断速度。数值仿真结果表明,新器件在不增加导通压降的同时,将关断时间从120ns降到12ns。

智能电网用高功率密度1500A/3300V绝缘栅双极晶体管模块

基于双扩散金属氧化物半导体(diffused metal-oxide semiconductor,DMOS)元胞设计技术,针对智能电网的需求,引入"电子注入增强"以及台面栅技术,优化了3 300 V绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)芯片的整体性能。基于该芯片制造出的1 500 A/3 300 V高功率密度IGBT模块,相对于优化前其额定电流从1 200 A上升到了1 500 A(上升了25%),同时导通压降从2.8 V下降到了2.4 V(下降了14%),最高工作结温从125℃提升到150℃。反偏安全工作区(reverse biased safe operation area,RBSOA)与短路安全工作区(short-circuit safe operation area,SCSOA)测试显示,该模块能在集电极电压为2 000 V的情况下关断3 000 A的电流,并且在栅电压为15 V、集电极电压为2 000 V的短路条件下的安全工作时间超过10?s。测试结果显示,该模块导通压降及开关损耗性能与同类型国际主流产品相当。

具有表面超结的横向绝缘栅双极晶体管研究

提出了一种基于体硅的表面超结横向绝缘栅双极晶体管(SSJ LIGBT)。分析了工艺参数注入剂量和注入能量对器件性能的影响,基于耐压需求的考虑,设计并优化了SSJ LIGBT器件及其终端。对该SSJ LIGBT进行了击穿特性、输出特性和转移特性的测试。测试结果表明,该SSJ LIGBT的耐压达到693 V,比导通电阻仅为6.45Ω·mm~2。

550 V无电压折回逆导型横向绝缘栅双极晶体管器件设计

逆导型横向绝缘栅双极晶体管(RC-LIGBT)由于高电流密度、小封装成本等优点,成为了功率器件领域内主流器件之一,然而其会受到电压折回现象的不利影响。本文提出了一种基于绝缘体上硅技术的RCLIGBT器件,将续流二极管集成在位于埋氧层下的衬底,利用埋氧层的隔离特性实现了IGBT与续流二极管之间的电学隔离,进而实现了完全消除电压折回现象。仿真结果显示:在几乎相同的耐压和反向导通能力下,由于更小的器件尺寸,本文提出的器件获得了更高的电流密度;本文器件的导通压降与关断损耗分别相比于传统器件降低14.4%和62.2%,实现了更好的导通压降与关断损耗的折中。

一种带有p型阻挡层的新型阳极短路IGBT结构

提出了一种可应用于高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的新型阳极短路IGBT结构。在n型截止区设计一个p型阻挡层,增加了集电极区域的短路电阻,从而完全消除传统阳极短路型IGBT开启时正向导通压降的回跳效应。p型阻挡层的位置对消除导通压降回跳现象至关重要。详细讨论了p型阻挡层的高度、宽度和水平位置对器件电学特性的影响。仿真结果表明,将一个传统结构的阳极短路型IGBT和一个具有高度为4μm、宽度为3μm的p型阻挡层的新型阳极短路型IGBT结构对比,在门极驱动电压为15 V的情况下,器件的正向导通压降从传统的4.60 V下降到3.95 V,关断时间从354 ns减少到305 ns。所提出的新结构能进一步有效折中IGBT器件正向压降与关断时间的矛盾关系。

带有p型柱体的三维阳极短路LIGBT结构

为了有效消除器件的逆阻现象,提出了一种带有p型柱体的三维阳极短路横向绝缘栅双极型晶体管(SA-LIGBT)结构。p型柱体位于n型缓冲层中,提高了集电极区域的短路电阻,从而使逆阻现象完全消失。另一方面,p型柱体会向漂移区注入更多的空穴,可以增强通态条件下器件的电导调制效应,降低器件的通态压降。利用三维仿真软件Crosslight-APSYS仿真研究了p型柱体的高度、宽度和长度对逆阻现象以及对器件通态压降和关断速度的影响。结果表明,当p型柱体的高度为1μm,宽度为12μm,长度为20μm时,器件的逆阻现象完全消失。通态压降为1.61 V,关断时间为110.3 ns,而传统结构LIGBT的通态压降为1.56 V,关断时间为2.33μs。

一种新型SOI衬底上带有阳极辅助栅结构的SJ-LIGBT

提出了一种新型的SOI衬底上的横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT)。该LIGBT在漂移区采用了超结(SJ)结构,并且在阳极采用了新颖的阳极辅助栅结构。这种器件由于采用了上述2种结构,相比于普通的LIGBT,它的正向压降更低,开关速度更快。文章对器件的一些关键参数(如P-drift区掺杂浓度、阳极栅宽度和载流子寿命)对器件关断时间的影响进行了仿真。仿真结果表明,提出的新型结构器件与常规LIGBT器件相比,关断速度可以提高30%。

di/dt与集电极电压联合检测IGBT短路策略

大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块开关速度较慢,单纯使用集射极电压检测短路需较长的检测盲区时间和较高的检测阈值,难以将IGBT短路电流和功耗限制在较低值,容易使IGBT受到较大伤害,而且较高的检测阈值会增加驱动器的设计复杂度。提出一种采用电流变化率和集射极电压联合检测大功率IGBT模块短路的方法。电流变化率能非常快速地检测IGBT硬短路状态,使驱动器能够快速保护IGBT模块;集射极电压能检测到软短路状态,较低的集射极电压检测阀值能使检测到软短路的时间提前。基于4 500 V等级的IGBT模块的实验结果证明所提出的策略是有效可行的。

基于阳极弱反型层消除负阻效应的新型SOI LIGBT

在SOI衬底上,制作了一种基于阳极弱反型层消除负阻效应的新型横向绝缘栅双极晶体管(SOI AWIL-LIGBT)。利用反型所形成的高阻值电阻来使PN结阳极快速导通,阳极P+区中的空穴可以更快地注入漂移区,从而消除负阻效应。仿真结果表明,该新型LTGBT在保证关断速度不变的情况下,击穿电压为307V(漂移区长度为18μm)比,比常规SA-LIGBT提升了56%,并消除了负阻效应。

EAST离子回旋加热系统高功率射频放大器阳极电源的研制

离子回旋共振加热是EAST超导托卡马克核聚变实验中重要的辅助加热手段。高性能的高功率射频放大器阳极电源对整个加热系统的稳定运行起重要作用。本工作设计了基于脉冲阶梯调制(PSM)技术的阳极电源及其控制保护系统,通过采集电源的实验数据对电源的设计进行了验证。实验结果证明,本阳极电源的设计和参数选择均是合理正确的,电源的开通和关断以及控制保护的数据指标完全达到设计要求。

内透明集电极IGBT开关特性及短路特性仿真研究

针对内透明集电极(internal transparent collector,ITC)绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor,IGBT)结构的短路特性进行数值模拟研究,通过模拟仿真明确了缓冲层掺杂浓度、局域载流子寿命控制区位置及局域载流子寿命参数对ITC-IGBT的导通特性、开关特性、短路特性的影响。通过优化折中器件的缓冲层掺杂浓度、局域寿命控制区寿命参数和局域寿命控制区位置的关系,在器件特性满足要求的同时,改善器件的抗短路能力。文章最后给出一种可供参考的具有良好抗短路能力的IGBT器件设计方法,确定了缓冲层浓度的最低值和局域载流子寿命最大值,明确了局域寿命控制的合理范围。

基于多层级模拟的压接型IGBT器件短路失效机理分析

压接型绝缘栅双极晶体管(press pack insulated gate bipolar transistor,PP-IGBT)器件具有功率密度高、短路失效等优势,已被广泛应用于柔性直流输电换流阀中。现有压接型IGBT器件短路失效研究主要基于宏观测试结果,难以揭示由微观材料失效诱发器件短路失效的机理,该文基于圧接型IGBT器件短路测试结果,提出压接型IGBT器件短路失效机理的多层级模拟方法。首先,搭建短路冲击实验平台,基于短路实验获取失效发生条件与失效芯片;其次,建立压接型IGBT宏观器件——介观元胞模型,研究圧接型IGBT器件短路失效时器件–元胞复合应力变化规律;最后,建立微观元胞铝–硅界面分子动力学模型,分析短路失效发生条件,揭示短路失效机理,并提出芯片失效部位相对概率分布。结果表明,短路工况下芯片靠近栅极的有源区边角是最容易发生失效的薄弱区域,铝、硅材料失效是导致压接型IGBT器件短路失效的直接原因。

SOI-LIGBT寄生晶体管电流增益的研究

采用二维器件模拟仿真软件Tsuprem4和Medici模拟了SOI-LIGBT的n型缓冲层掺杂剂量、阳极p+阱区长度、漂移区长度以及阳极所加电压对SOI-LIGBT寄生晶体管电流增益β的影响,通过理论分析定性的解释了产生上述现象的原因和机理,并且通过实验测试结果进一步验证了分析结论的正确性。其中,n型缓冲层掺杂剂量对电流增益β的影响最为明显,漂移区长度的影响最弱。基本完成了对SOI-LIGBT寄生晶体管电流增益β主要工艺影响因素的定性分析,对于SOI-LIGBT的设计有一定的借鉴意义。

IGBT器件栅极漏电问题研究

IGBT器件具有输入阻抗高和导通压降低的优点,在大功率电力电子领域具有广泛的应用,但IGBT器件的栅极漏电问题严重影响产品的成品率和可靠性,是产品制造工艺控制的关键。栅极漏电问题主要由栅氧化层质量、多晶硅栅形貌以及栅极与发射极之间的隔离等问题所致,通常造成栅极短路漏电的原因比较容易发现,但栅极轻微漏电的原因比较复杂,需要通过科学的分析,才能找到问题的根源。通过对典型栅极漏电(栅极间呈现二极管特性)问题的调查,总结了解决问题的思路和方法,对IGBT芯片制造者或器件应用者有一定的参考作用。

500V沟槽阳极LIGBT的设计与优化

介绍一种双外延绝缘体上硅(silicon on insulator,SOI)结构的沟槽阳极横向绝缘栅双极型晶体管(trenchanode lateral insulated-gate bipolar transistor,TA-LIGBT).沟槽阳极结构使电流在N型薄外延区几乎均匀分布,并减小了元胞面积;双外延结构使漂移区耗尽层展宽,实现了薄外延层上高耐压低导通压降器件的设计.通过器件建模与仿真得到最佳TA-LIGBT的结构参数和模拟特性曲线,所设计器件击穿电压大于500 V,栅源电压Vgs=10 V时导通压降为0.2 V,特征导通电阻为123.6 mΩ.cm2.

超薄顶硅层SOI基新颖阳极快速LIGBT

提出一种利用浅槽隔离(STI)技术的超薄顶硅层绝缘体上硅(SOI)基新颖阳极快速横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT),简称STI-SOI-LIGBT。该新结构器件整体构建在顶硅层厚度为1μm、介质层厚度为2μm的SOI材料上,其阳极采用STI和p+埋层结构设计。新器件STI-SOI-LIGBT的制造方法可以采用半导体工艺生产线常用的带有浅槽隔离工艺的功率集成电路加工技术,关键工艺的具体实现步骤也进行了讨论。器件+电路联合仿真实验说明:新器件STISOI-LIGBT完全消除了正向导通过程中的负微分电阻现象,与常规结构LIGBT相比,正向压降略微增加6%,而关断损耗大幅降低86%。此外,对关键参数的仿真结果说明新器件还具有工艺容差大的设计优点。新器件STI-SOI-LIGBT非常适用于SOI基高压功率集成电路。

1200V沟槽栅/平面栅场截止型IGBT短路耐量特性研究

研究了沟槽栅与平面栅结构1 200V/20A场截止(Field-stop)型(绝缘栅双极型晶体管)(IGBT)的短路耐量特性,从测试电路参数与器件本身的结构与工艺两方面对具有沟槽栅及平面栅结构的场截止型IGBT进行了探究,其中热耗散为引起击穿的主要原因。实际制作了沟槽栅-场截止型IGBT,采用优化的正面沟槽结构结合背面场截止薄片工艺,选择了合适的集电极-发射极间的饱和电流保证器件具有较低的导通压降的同时减少了焦耳热的产生,提升了芯片自身的抗短路能力(tsc>12μs),有利于沟槽栅IGBT应用的可靠性。

MMC子模块IGBT短路实验平台设计与实现

在模块化多电平换流阀(modular multilevel convertor,MMC)实际运行中,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)或其驱动器故障会导致子模块直通短路,造成器件损坏,该短路工况对于IGBT的短路保护以及可靠性研究具有重要意义。该文分析MMC子模块直通短路的类型并提出该短路工况实验平台的设计要求。针对短路振荡和电磁干扰问题进行优化设计,对短路回路寄生电感进行调整,研制MMC子模块短路实验平台并进行实验验证。实验结果表明,所研制的实验平台可以满足MMC子模块用IGBT的短路实验的需求。