一种低反向恢复电流的无电压回跳RC-IGBT设计

提出了一种无电压回跳的逆导型绝缘栅双极型晶体管(RC-IGBT)结构,在集电极侧场截止层下方加入了一个N型层作为高阻层且把N+集电区部分替换为P型薄层,通过加入的N型高阻层增加集电极电阻,同时用P型薄层保证在初始导通时集电区的空穴能够在第一时间注入,消除了电压回跳现象,并且使器件的反向恢复电流峰值降低了15 A/cm^(3),同时改善了器件的关断特性,关断时间减小了103 ns。相较于传统FS RC-IGBT,反向恢复峰值电流降低了33.3%,关断时间减小了9.93%。

回跳现象对RC-IGBT器件功率循环测试的影响

逆导型绝缘栅双极型晶体管(reverse conducting insulated gate bipolar transistor,RC-IGBT)是一种新型IGBT器件,其在IGBT芯片结构中集成了一个快恢复二极管,具有成本低、封装工艺简单、功率密度高、抗浪涌电流能力高等特点,因而备受工业界关注,对其可靠性的要求也越来越高。但是,由于RC-IGBT器件特殊的芯片结构,使得其输出特性曲线上具有回跳现象。而回跳现象是否会对RC-IGBT可靠性的考察产生影响还有待研究。因此文中首先深入分析回跳现象产生的机理,并结合考察器件可靠性最重要的实验——功率循环实验的原理阐述,分析得到回跳现象可能会对功率循环中结温测量、并联分流和功率循环寿命及失效形式3个方面产生影响,并通过设计实验进行论证。实验结果表明,回跳现象会对VCE(T)法进行结温测量产生影响,而对VF(T)法进行结温测量没有影响;通过并联分流实验发现,具有较小回跳电压的器件会在电流流过器件瞬间分得更多的电流,但是其影响时间较短;通过不同导通模式下的功率循环实验对比分析可知,回跳现象对分立器件的功率循环寿命及失效方式没有影响。

新型载流子积累的逆导型横向绝缘栅双极晶体管

通过引入n^(+)阳极在体内集成续流二极管的逆导型横向绝缘栅双极晶体管(reverse-conducting lateral insulated gate bipolar transistor,RC-LIGBT)可以实现反向导通,并且优化器件的关断特性,是功率集成电路中一个有竞争力的器件.本文提出了一种新型载流子积累的RC-LIGBT,它具有电子控制栅(electron-controlled gate,EG)和分离短路阳极(separated short-anode,SSA),可以同时实现较低的导通压降和关断损耗.在正向导通状态,漂移区上方的EG结构可以在漂移区的表面积累一个高密度的电子层,从而大大地降低器件的导通压降.同时,SSA结构的使用还极大优化了器件的关断损耗.另外,低掺杂p型漂移区与SSA结构配合,可以简单地实现反向导通并且消除回吸电压.仿真结果表明,所提出的器件具有优秀的导通压降与关断损耗之间的折衷关系,其导通压降为1.16 V,比SSA LIGBT低55%,其关断损耗为0.099 mJ/cm^(2),比SSA LIGBT和常规LIGBT分别低38.5%和94.7%.

RC-IGBT型双向直流变换器驱动控制方法

在此研宄了一种逆导型绝缘栅双极型晶体管(RC-IGBT)型双向直流变换器的低功耗驱动控制方法,主要包括两个阶段:在快速恢复二极管(FRD)开通阶段采用负电平驱动,取代传统的高电平驱动,降低FRD深度饱和,减少FRD的导通损耗;而在FRD关断阶段通过退饱和控制来降低FRD的饱和程度,减小FRD的关断损耗。同时,为了避免FRD模式下退饱和控制引起IGBT开通死区增大,造成占空比受限,通过对脉冲宽度调制(PWM)进行改进,消除了退饱和控制对死区的影响。实验表明:退饱和控制可以有效地改善RC-IGBT工作于FRD模式时的反向恢复特性,同时所提改进型PWM方法能够保证IGBT驱动信号占空比的有效范围。

具有三明治集电极结构的新型无电压回跳半超结RC-IGBT

提出了一种具有三明治集电极结构的半超结RC-IGBT(SSS-RC-IGBT),该结构通过在N+buffer层和P+/N+集电区之间引入高阻N-layer,增大了集电极短路电阻。通过引入集电极侧的半超结,减小了漂移区的电阻,从而消除了器件的电压回跳现象。Sentaurus仿真结果表明,本结构中N/P柱的柱深为70μm,N/P柱的掺杂浓度为3×10^15 cm^-3。高阻N-layer的厚度为5μm,掺杂浓度为5×10^13cm^-3时,器件不会发生电压回跳现象。由于所提出的器件能够完全开启且具有更高的注入效率,器件正向导通压降降低了9.7%。在正向导通电流密度为100 A/cm^2的条件下进行关断时,器件的关断损耗降低了30.6%。同时,器件具有更优的Vce-Eoff折中特性和反向恢复特性。

抑制或消除RC-IGBT回跳现象的技术发展概述

逆导型绝缘栅双极型晶体管(RC-IGBT)以其良好的软关断特性、短路特性以及良好的功率循环特性等优点,成为现在半导体功率器件技术领域研究的热点。RC-IGBT在拥有众多优点的同时,最典型的问题就是电压回跳现象,如何抑制或消除器件开启初期固有的回跳现象是RC-IGBT器件领域的技术关键。通过对RC-IGBT领域的国内外专利申请进行整理、分析,具体介绍了解决RC-IGBT器件回跳问题的五个主要技术分支:引导IGBT区法、阻断电子电流法、强化集电极短路电阻法、超结结构法、绝缘分离法,并展示了相应的典型器件结构、工作原理及其技术效果,为完全消除RC-IGBT的回跳现象以提升器件整体性能指明了技术发展方向。

基于反向恢复电流的绝缘栅双极型晶体管模块动态结温估测方法

针对传统结温估测方法响应速度慢、测量误差大问题,采用绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块的反向恢复电流作为温敏电参数,提出一种新型结温估测方法.分析了IGBT模块结温和负载电流对反向恢复电流的影响机理,并建立了三者间的理论关系.考虑实际工况并采用试验数据拟合得到IGBT模块的结温预测模型,通过比较试验测量数据与预测模型计算结果的差异,证实了采用反向恢复电流提取IGBT模块动态结温的估测方法具有较高的估测精度和较快的响应速度.

逆导型IGBT电压回跳现象在电路应用中的影响分析

逆导型IGBT(RC-IGBT)是一种新型功率半导体器件,实现了IGBT和续流二极管的片内集成,具有体积小、成本低、功率密度高、正温度系数、良好的功率循环能力和关断特性等诸多优势。RC-IGBT正向导通时存在电压回跳现象,建立物理模型详细分析其产生机理及影响因素,得出了缓冲层掺杂浓度是决定回跳电压大小的重要因素。进一步通过控制变量法,利用TCAD仿真软件,从导通特性、并联均流特性和开关特性三个方面详细测试,分析了具有不同程度回跳现象的RC-IGBT在实际电路应用中的影响。通过合理的参数选择,可将回跳电压控制在可接受的范围内,并提高了器件的综合性能,为RC-IGBT设计优化和实际应用提供了有价值的参考和理论指导。

逆导型IGBT发展概述

逆导型绝缘栅双极型晶体管是一种新型的IGBT器件,它是将IGBT元胞结构以及快恢复二极管(FRD)元胞结构集成在同一个芯片上。逆导型IGBT器件具有小尺寸、高功率密度、低成本、高可靠性等诸多优点,但是逆导型IGBT的电压回跳现象限制了它在实际中的应用。研究了逆导型IGBT器件的结构原理以及回跳现象产生的原因,介绍了引导区结构和背面版图正交布局两种有效抑制回跳现象的方法。通过合理的设计,逆导型IGBT基本上克服了传统的特性缺陷,这将使逆导型IGBT在未来有更为广阔的应用前景。

采用逆阻型IGBT的零电流开关PWM电流源型半桥变换器

电流源型半桥变换器(current-fed half-bridge converter,CFHB)由于变压器漏感的存在引起了开关管关断电压尖峰。为解决这个问题,该文提出一种新的ZCS PWM CFHB变换器,主功率器件选用逆阻型IGBT(RB-IGBT)可以彻底消除主功率管的电压尖峰和有效减小谐振电流峰值。该文详细分析了这种新型变换器的工作原理和特性,并在一个600W的原理样机上进行验证,最后给出试验结果。

逆阻型绝缘栅双极晶体管研究进展

逆阻型绝缘栅双极型晶体管(RB-IGBT)是一种新型的IGBT器件,它是将IGBT元胞结构与耐高压的二极管元胞结构集成到同一个芯片上。RB-IGBT相比于传统的IGBT串联一个二极管的模式,具有总通态压降低、成本低、总功耗低和电路结构简单等诸多优点。自从被提出以来,RB-IGBT在结构设计和加工工艺方面不断得到改进,其性能不断提升,使得RB-IGBT拥有更为广阔的应用前景。综述了RB-IGBT的发展历程和双向耐压原理,重点阐述了不断改进的RB-IGBT结构和国际上采用的加工工艺。针对热预算、工艺难度和工艺成本等,分析了不同工艺技术的优缺点,重点探讨了工艺的实现方式。对RB-IGBT的发展趋势进行了分析和预测,认为混合隔离技术和漂移区的改进将是下一代RB-IGBT的发展方向。

基于RB-IGBT的三电平永磁同步电机驱动

三电平拓扑具有输出电流谐波小,变换效率高等优点,在新能源领域得到广泛运用。使用基于反向阻断绝缘栅双极型晶体管(RB-IGBT)的新型三电平拓扑结构,设计了永磁同步电机(PMSM)驱动,开发了驱动器软件,研究了驱动器控制方法,并且进行了样机实验。实验表明所搭建的样机运行良好,实现了电网电流输出电流总谐波畸变率(THD)小于5%,整机转换效率大于95%。

逆导型IGBT发展综述

该文概述垂直型RC-IGBT自发明以来的主要发展和当前的主要研究问题,包括:IGBT正向输出特性的Snap-back抑制、RC-IGBT关断及二极管反向恢复动态波形优化、器件纵向漂移区载流子浓度分布优化、器件横向载流子密度及电场分布均匀性优化、器件工作时的温度特性、工艺问题及器件仿真问题等。文中同时简要介绍ABB、英飞凌、三菱及富士推出的最新一代逆导型IGBT器件的器件特性及结构特征。

一种复合终端逆阻IGBT数值仿真分析

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)本身不具有反向阻断能力,因此在电路中通常与二极管组合使用。为降低使用成本,减小寄生电感,续流二极管与IGBT通过工艺集成在同一芯片上,由此提出了具有反向阻断能力的逆阻型IGBT。针对常规逆阻IGBT终端面积大的问题,提出了一种改进型复合终端结构,采用双掺杂场限环,在P型场限环旁边引入N型轻掺杂区。改进结构减小了耗尽区横向扩展速率,增强器件可靠性,节省终端面积占用并提高了终端效率。

Theoretical calculation of the p-emitter length for snapback-free reverse-conducting IGBT

A physically based equation for predicting required p-emitter length of a snapback-free reverse- conducting insulated gate bipolar transistor （RC-IGBT） with field-stop structure is proposed. The n-buffer resis- tances above the p-emitter region with anode geometries of linear strip, circular and annular type are calculated, and based on this, the minimum p-emitter lengths of those three geometries are given and verified by simulation. It is found that good agreement was achieved between the numerical calculation and simulation results. Moreover, the calculation results show that the annular case needs the shortest p-emitter length for RC-IGBT to be snapback-free.

适用于电力系统设备的新一代高压IGBT模块

描述了新一代R系列高压绝缘栅双极型晶体管模块(HVIGBT)的技术特点、性能及其在电力系统中的应用。该模块采用优化平板MOSFET栅轻穿通IGBT技术和软反向恢复高压二极管技术,实现了优异的低损耗性能和高鲁棒性,同时具有平滑的开关特性、卓越的安全工作区能力和低漏电流。实验证明,这些特性能很好地满足电力系统设备对电力电子器件的要求。

3300V逆导型IGBT器件仿真

基于现有仿真平台,设计一款3 300V/50A逆导型绝缘栅双极晶体管器件(逆导型IGBT或RC-IGBT),元胞采用场截止型平面栅结构,元胞设计中采用载流子增强技术(EP),元胞注入采用自对准工艺,背面P型集电极采用透明集电极技术,降低IGBT工作模式下的饱和压降。采用二维数值仿真研究了器件结构及结构参数对器件性能的影响,通过结构参数拉偏,折衷优化IGBT与内集成二极管的性能参数,仿真得到的3 300V/50A逆导型IGBT器件饱和压降为3.4V,二极管导通压降为2.3V,阈值电压为5.6V,击穿电压为4 480V,与相同电压等级的分立IGBT器件和二极管性能相当。

逆导型非穿通绝缘栅双极晶体管仿真

仿真了逆导型(RC)非穿通-绝缘栅双极晶体管(NPT-IGBT)的器件结构及其"折回效应"现象的I-V特性曲线,研究了一些器件重要结构参数(背面阳极n+区域与p+区域尺寸比例Ln/Lp以及n-漂移区厚度)对所仿真的逆导型NPT-IGBT器件电流"折回效应"的影响。用"MOSFET+pin二极管"等效电路模型分析了仿真结果中得到的结论。结果表明,Ln/Lp与n-漂移区厚度对"折回效应"幅度影响显著。在n-漂移区厚度为60μm时,Ln/Lp尺寸比例在5/11和2/14(μm/μm)之间,"折回效应"幅度较低,并且反向二极管具有导通能力,可以成为对应RC-NPT-IGBT的工艺窗口;在n-漂移区厚度达到150μm时,"折回效应"接近消失,Ln/Lp尺寸比例可以有更宽的选择。

柔直工程用IGBT器件可靠性试验研究及应用

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件是柔直换流阀设备的核心组件,其可靠性直接影响柔直工程稳定运行。为有效考核柔直换流阀用高压大容量IGBT器件性能,降低调试及运行期间的子模块故障率,综合分析了IGBT器件可靠性试验项目与考核要点,提出了在例行试验中开展高温反偏(HTRB)试验、抽检试验中开展HTRB与功率循环(PC)项目的可靠性试验方案;在换流阀系统级试验层面,分析了现行标准中IGBT PC试验考核指标与柔直阀运行工况对器件性能需求之间的差异,提出了通过子模块级PC试验对IGBT器件进行性能考核与二次筛选的试验方案。经工程应用,通过PC试验发现了在器件型式、例行试验中未能发现的严重设计缺陷,进而针对性地提出了芯片双面银烧结的设计改进措施。研究结果表明,应用所提IGBT器件可靠性试验方法,有助于考核器件设计方案的合理性与可靠性,在设备生产阶段及时筛选出可能发生早期失效的弱品器件。

具有宽安全工作区的压接式IGBT芯片研制

针对柔性直流输电关键装备高压直流断路器的特殊需求,基于现有工艺平台开发了一款宽安全工作区的3 300V/50A压接式IGBT芯片。为降低2~4 ms过电流冲击过程中的芯片温升,纵向采用非穿通结构。同时,采用阶梯栅氧结构,引入第二雪崩区,降低动态闩锁发生的风险,提高器件的安全工作区。为适用于压接封装,开发了厚金属电极工艺,实现对压力的缓冲。将此结构流片验证,并进行模块级测试,芯片可在1 800V电压下达到6.5倍以上额定电流安全关断,短路电流可在20μs内安全关断,具有宽安全工作区水平。