大功率器件IEGT的前世今生

作者 / 苗漢潔 東芝電子(中國(guó))分立器件戰(zhàn)略業(yè)務(wù)企劃統(tǒng)括部經(jīng)理

　　歷史上東芝在中國(guó)因家電聞名，上世紀(jì)八十年代的中國(guó)電視上最經(jīng)典的東芝廣告 “Toshiba，Toshiba，新時(shí)代的東芝”幾乎家喻戶曉，東芝產(chǎn)品也以高品質(zhì)著稱。具備世界一流品質(zhì)的東芝大功率半導(dǎo)體器件在工業(yè)領(lǐng)域也同樣有著悠久的歷史和良好的口碑，廣泛應(yīng)用于“發(fā)電—輸配電—用電”的整個(gè)能源鏈。

東芝大功率器件

　　東芝從上世紀(jì)六十年代開(kāi)始生產(chǎn)可控硅器件，在上世紀(jì)八十年代在全球范圍率先實(shí)現(xiàn)IGBT器件商業(yè)化，在上世紀(jì)九十年代率先商業(yè)化了壓接型的IGBT器件(PPI：Press Pack IGBT)，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了混合型SiC大功率器件并得到商業(yè)應(yīng)用，后續(xù)將推出純SiC大功率器件。

　　PPI器件得益于東芝領(lǐng)先的技術(shù)和獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在日本和歐洲得到了許多客戶的青睞，目前在中國(guó)市場(chǎng)也得到越來(lái)越多的認(rèn)可，是大功率器件的重要發(fā)展方向。

IEGT的來(lái)源

　　在上世紀(jì)九十年代，東芝率先通過(guò)柵極注入增強(qiáng)技術(shù)，降低了IGBT器件的靜態(tài)損耗，并且以柵極注入增強(qiáng)技術(shù)(Injection Enhanced Gate Transistor)的首字母注冊(cè)了東芝專屬的IGBT器件名稱——IEGT，IEGT可以理解為是東芝IGBT的專有名稱。所以IEGT和IGCT器件是有著本質(zhì)不同的，前者是電壓型器件，后者是電流型器件。IEGT的電路拓?fù)渖喜恍枰渲藐?yáng)極電抗器和RDC-snubber電路。

IEGT的兩種封裝形式

　　PMI(Plastic case Module IEGT)封裝

　　PMI 封裝是IGBT模塊業(yè)界比較常見(jiàn)的形式。東芝的PMI封裝通過(guò)采用鋁碳化硅基板實(shí)現(xiàn)更好的散熱效果，采用高CTI(CTI=Comparative Tracking Index 相比漏電起痕指數(shù))的材質(zhì)實(shí)現(xiàn)更好的絕緣性。是可以應(yīng)用于軌道交通牽引這樣對(duì)工況要求苛刻的應(yīng)用。

　　PPI(Press Pack IEGT)封裝

　　PPI是東芝率先商業(yè)化的獨(dú)特封裝的IGBT器件。隨著中國(guó)市場(chǎng)對(duì)高可靠性、大功率密度IGBT需求的增長(zhǎng)，PPI未來(lái)?yè)碛性絹?lái)越廣闊的市場(chǎng)。

　　東芝的PPI有如下特點(diǎn)：

　　高可靠性：因?yàn)槠骷p面散熱，并且內(nèi)部芯片通過(guò)無(wú)引線的方式鍵合，所以功率循環(huán)壽命的表現(xiàn)優(yōu)異;

　　功率密度大：?jiǎn)晤w器件目前最大規(guī)格是 4.5KV/3KA，遠(yuǎn)超PMI的4.5KV/1.2KA規(guī)格;

　　防爆性能優(yōu)異：由于采用陶瓷外殼，器件的防爆能力遠(yuǎn)超塑料外殼的PMI器件;

　　方便壓接使用：采用圓形封裝，便于壓力均勻傳導(dǎo)至器件內(nèi)部每一顆芯片;

　　方便器件串聯(lián)：由于器件的上下側(cè)分別是發(fā)射級(jí)和集電極，從結(jié)構(gòu)上和紐扣電池一樣方便多顆串聯(lián)。

PPI的結(jié)構(gòu)

　　PPI器件的上側(cè)是器件發(fā)射極，下側(cè)是器件集電極，側(cè)面的陶瓷管殼上引出柵極端子和輔助發(fā)射極端子連接驅(qū)動(dòng)板。器件外觀和傳統(tǒng)的晶閘管器件接近。其內(nèi)部包含了柵極引線PCB基板、半導(dǎo)體芯片、芯片保護(hù)樹(shù)脂隔板、鉬金屬片、柵極引腳插針，如圖5所示。

　　PPI的內(nèi)部芯片如圖6所示，左側(cè)是快恢復(fù)二極管芯片，右側(cè)是IEGT芯片。IEGT芯片右上角的小正方形區(qū)域是柵極，通過(guò)柵極引腳插針連接到柵極引線PCB基板上從而匯聚至側(cè)面陶瓷管殼上的柵極端子。柵極引線PCB基板經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)以保證各個(gè)芯片的一致性。

　　PPI內(nèi)部的側(cè)視圖如圖7所示，可以看出芯片是通過(guò)金屬鉬材料連接到發(fā)射極和集電極的銅基板上，并沒(méi)有通過(guò)焊接引線的方式連接芯片和器件外部電極端子，所以不存在PMI器件在長(zhǎng)期熱循環(huán)工作后引線開(kāi)裂、斷路的失效模式。

IEGT應(yīng)用及發(fā)展

　　基于IEGT優(yōu)異的產(chǎn)品性能，基廣泛應(yīng)用于各種大功率驅(qū)動(dòng)設(shè)備及柔性直流輸電場(chǎng)景。PMI部分主要應(yīng)用于高鐵、電力機(jī)車、地鐵/輕軌等產(chǎn)業(yè)，PPI部分主要應(yīng)用于冶金、柔性直流輸電、天然氣管道輸送等產(chǎn)業(yè)。其中，基于PPI的高可靠性、高功率密度特性，已經(jīng)成功用于多個(gè)柔性直流輸電重點(diǎn)工程。

　　東芝將繼續(xù)強(qiáng)化在PPI器件上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，繼續(xù)開(kāi)發(fā)更大電流、更大電壓的產(chǎn)品。例如，在4.5KV/3KA器件相同的封裝下實(shí)現(xiàn)單顆器件4.5KV/4KA通流能力?？蛻艨梢匝赜弥暗脑O(shè)計(jì)，通過(guò)采用新一代的PPI實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的容量升級(jí);在保持大電流能力的情況下實(shí)現(xiàn)單顆器件耐壓的升級(jí)?？蛻艨梢允褂酶俚钠骷?shí)現(xiàn)同樣的電壓等級(jí)。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第4期第17頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。