Компания Компэл продолжает работу по бесперебойной поставке электронных компонентов. Наш склад принимает и отгружает грузы в стандартном режиме.

Оптимизация на субмикронном уровне: новое поколение IGBT на напряжение 1200 В с микрошаблонными канавками

27 февраля

управление двигателемответственные примененияInfineonстатьядискретные полупроводники

Кристиан Джагер, Александр Филиппов, Антонио Веллей, Йоханес Дж. Лавен, Андреас Хертл (Infineon Technologies)

Технология микрошаблонных канавок MPT-IGBT оптимизирована для применения в электроприводе, и на ней основано новое поколение транзисторов IGBT на 1200 В производства Infineon. Это позволило повысить производительность за счет снижения VCE,sat до примерно 600 мВ и увеличить плавность выключения.

Общая тенденция электрификации, сопровождаемая необходимостью минимизации потребляемой энергии, требует более высокого уровня энергетической эффективности в приложениях силовой электроники. Infineon Technologies представляет новую технологическую концепцию для следующего поколения IGBT на 1200 В со значительно уменьшенными суммарными потерями энергии за счет применения оптимизированных ячеек с микрошаблонными канавками (MPT) и субмикронными мезоструктурами. В них был оптимизирован ряд важных параметров, относящихся к инверторам управления электрическими машинами, таких как плавность отключения, контролируемость dv/dt, устойчивость к токам короткого замыкания, что обеспечивает соответствие решений на их основе требованиям заказчика.

Огромным достижением в направлении увеличения плотности тока биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT) был переход в конфигурации от плоскостного затвора к затвору с канавкой. В концепции затвора с канавкой изначально использовался квадратный профиль канавки (вид сверху изображен на рисунке 1а), позволяющий формировать вертикальное направление для каналов электронов, что приводило к увеличению ширины канала и улучшению общей производительности.

Рис. 1. Схематическое изображение ячейки с квадратной канавкой (а) и с микрошаблонной канавкой (MPT) (б); вид сверху

Рис. 1. Схематическое изображение ячейки с квадратной канавкой (а) и с микрошаблонной канавкой (MPT) (б); вид сверху

Дальнейшее увеличение ширины канала IGBT может быть достигнуто за счет использования узких параллельных канавок, разделенных субмикронными мезоструктурами (вид сверху представлен на рисунке 1б). Этот так называемый IGBT c микрошаблонными канавками, или MPT-IGBT (рисунок 2а) имеет огромное преимущество для приложений, не требующих способности выдерживать короткие замыкания, так как увеличение ширины канала напрямую приводит к снижению падения напряжения при переходе во включенное состояние.

Для приложений, способных выдерживать кратковременное короткое замыкание (обычно минимум 6…8 мкс для управляющих приложений), MPT-IGBT также показывает существенное улучшение производительности. Однако в этом случае необходима регулировка ширины канала с микрошаблонными канавками (MPT)-IGBT.

Мы представляем новую технологическую концепцию для следующего поколения IGBT на 1200 В с использованием MPT, оптимизированную для управляющих приложений. В дополнение к оптимизации ширины канала дизайн ячейки адаптирован к наилучшему соотношению между потерями на включение и наклоном напряжения (dv/dt) при низких токах. Последний параметр из-за ограничений по сроку службы обмоток мотора для инверторов, управляющих электрическими машинами, обычно лежит в области ниже 5 кВ/мкс. Кроме того, оптимизирована вертикальная структура и использована передовая технология ультратонких полупроводниковых пластин толщиной до 100 мкм.

Общая концепция устройства 

Концепция ячейки

В дополнение к большей ширине канала использование ячеек с MPT-структурой с субмикронными мезоструктурами (рисунок 2а) позволяет достичь значительно большего удержания носителей на передней стороне микросхемы во время включения устройства по сравнению с обычными квадратными ячейками (рисунок 2б), что приводит к значительно меньшей потере проводимости. Кроме того, вертикальный профиль заряда носителей, реализованный с помощью ячеек MPT, позволяет во время выключения устройства снять большую часть заряда носителя, когда падение напряжения на устройстве еще незначительное. Это приводит к улучшенному соотношению между VCE,sat и Eoff для ячеек с MPT-структурой.

Рис. 2. Ячейка IGBT нового поколения на 1200 В с микрошаблонными канавками и параллельными субмикронными мезами (а); сравнение плотности носителей для обычных IGBT и IGBT с микрошаблонными канавками (б)

Рис. 2. Ячейка IGBT нового поколения на 1200 В с микрошаблонными канавками и параллельными субмикронными мезами (а); сравнение плотности носителей для обычных IGBT и IGBT с микрошаблонными канавками (б)

В целом, MPT-IGBT обладает существенным запасом параметризации для подбора ширины канала, емкости и удержания носителей, необходимых для конкретного приложения. Это подчеркивает огромное преимущество точной настройки производительности устройства для современных приложений. Несколько возможных строительных блоков для оптимизации структуры ячейки показано на рисунке 3, включая активный затвор, канавку источника и макетный затвор.

Рис. 3. Возможные строительные блоки для оптимизации структуры ячейки MPT-IGBT

Рис. 3. Возможные строительные блоки для оптимизации структуры ячейки MPT-IGBT

У активных затворов есть контакты и регионы n-источников, прилегающие к канавкам затворов, тогда как у макетных затворов нет электрических контактов с проводящими каналами, и они могут только пассивно влиять на характеристики устройства посредством балансировки емкостей «затвор-сток» и «затвор-исток».

Оптимально размещая эти строительные блоки, можно регулировать ширину канала для достижения необходимого времени устойчивости к токам короткого замыкания. Кроме того, можно оптимизировать соотношение между наклоном напряжения (dv/dt) и потерями на переключение. Адаптация доступной площади n-источника на поверхности микросхемы является дополнительной степенью свободы для регулировки тока насыщения.

Вертикальный дизайн

Общеизвестно, что важным параметром устройства, влияющим на соотношение между потерями на переключение и диэлектрическими потерями, является толщина микросхемы. Уменьшение толщины микросхемы приводит к уменьшению как потерь на переключение, так и диэлектрических потерь. Для достижения достаточного пробивного напряжения при меньшей толщине микросхемы используется базовый материал с меньшим содержанием примесей в комбинации с оптимизированным дизайном буферного слоя. При использовании базового материала с меньшим содержанием примесей получается более плавное распределение электрического поля и более высокое пробивное напряжение (рисунок 4). (На схеме рисунка 4 синяя сплошная линия  соответствует материалам с высоким содержанием примесей, синяя пунктирная линия – материалам с низким содержанием примесей, а красными линиями показаны примеси на дальней стороне.) Для обеспечения плавного отключения устройства необходимо тщательно оптимизировать дизайн буферного слоя.

Рис. 4. Схема распределения электрического поля

Рис. 4. Схема распределения электрического поля

Результаты

Производительность устройства

Сравнение соотношений между VCE,sat и Eoff для устройств с MPT-структурой ячеек и обычных IGBT на 1200 В (рисунок 5) показывает значительное снижение VCE,sat на величину до ~600 мВ при постоянном Eoff. Как уже было замечено, вертикальный профиль заряда носителей, реализованный в ячейках с MPT-структурой, приводит к общему улучшению соотношения между VCE,sat и Eoff.

Рис. 5. Выходные характеристики нового поколения IGBT на 1200 В по сравнению с обычными IGBT

Рис. 5. Выходные характеристики нового поколения IGBT на 1200 В по сравнению с обычными IGBT

У инверторов, управляющих электрическими машинами, где наклон напряжения (dv/dt) обычно ограничен величинами менее 5 кВ/мкс, потери на включение также должны быть оптимизированы в пределе малых наклонов напряжения. Обычно наклоны напряжения максимальны при низких токах (например, 1/10 от номинального значения) и низких температурах (например, 25ºС), тогда как потери мощности преобладают при высоких значениях тока и температуры. Потери на включение ячеек MPT были снижены путем оптимального распределения потенциалов различных канавок с помощью строительных блоков, показанных на рисунке 3. Для оптимизированной ячейки MPT соотношение между Eon и наклоном напряжения улучшено по сравнению с предыдущим поколением IGBT (рисунок 6). При фиксированном наклоне напряжения, например, 5 кВ/мкс, было достигнуто снижение Eon/A на ~10%.

Рис. 6. Сравнение Еon (Inom, T = 175ºС) c dv/dt (1/10 Inom, T = 25ºС) для нового поколения IGBT на 1200 В и обычных IGBT

Рис. 6. Сравнение Еon (Iном, T = 175ºС) c dv/dt (1/10 Iном, T = 25ºС) для нового поколения IGBT на 1200 В и обычных IGBT

Плавность выключения и надежность устройства

В дополнение к улучшенным характеристикам, перечисленным выше, MPT-IGBT способен поддерживать плавное выключение и устойчив к коротким замыканиям. На рисунке 7 показаны диаграммы сигнала выключения для новых MPT-IGBT по сравнению с обычными IGBT для разных линейных напряжений. Для показанных здесь измерений была добавлена внешняя паразитная индуктивность 500 нГн, приводящая к генерации колебаний. Выключение MPT-IGBT происходит более плавно, несмотря на меньшие потери, что позволяет использовать эти устройства в приложениях с тяжелыми режимами переключения.

Рис. 7. Диаграммы сигнала выключения для обычных IGBT на 1200 В (а) и нового поколения IGBT на 1200 В (б) для различных линейных напряжений (черный: напряжение, красный: ток)

Рис. 7. Диаграммы сигнала выключения для обычных IGBT на 1200 В (а) и нового поколения IGBT на 1200 В (б) для различных линейных напряжений (черный: напряжение, красный: ток)

Также новое поколение IGBT на 1200 В достаточно устойчиво к коротким замыканиям, как показано на рисунке 8. Было достигнуто термическое время удержания короткого замыкания более 8 мкс при 150ºС, данное значение вполне приемлемо для стандартных приложений управления.

Рис. 8. Термическое короткое замыкание для нового поколения IGBT на 1200 В (красный – ток, черный – напряжение)

Рис. 8. Термическое короткое замыкание для нового поколения IGBT на 1200 В (красный – ток, черный – напряжение)

Влияние примесей базового материала и толщины устройства на пробойное напряжение показано на рисунке 9. Для более низких уровней примесей базового материала (зеленый и розовый) были получены более высокие значения запирающего напряжения. Например, для уменьшенной толщины кремния (90%) и более низкого уровня примесей базового материала (60%, розовая кривая), может быть получено такое же пробойное напряжение, как и для стандартной толщины кремния и размера примесей (100%, синяя кривая).

Рис. 9. Кумулятивный график частоты распределения пробойного напряжения для разной толщины кремния и размера примесей базового материала

Рис. 9. Кумулятивный график частоты распределения пробойного напряжения для разной толщины кремния и размера примесей базового материала

Демонстрация производительности

Для демонстрации значительного улучшения VCE,sat устройств MPT-IGBT (сравнение на рисунке 5) мы собрали специальный тестовый модуль, где были последовательно соединены обычные IGBT и MPT-IGBT (рисунок 10). Такая сборка гарантирует, что одинаковый ток протекает через обычные и новые устройства, что приводит к их резистивному нагреву в результате рабочего падения напряжения на переходе. Меньший Джоулев нагрев MPT-IGBT обусловлен более низкой величиной VCE,sat, что в свою очередь приводит к более низкому локальному нагреву. Для визуализации внутренние части сборки и IGBT были покрашены черной краской, и их состояние отслеживалось с помощью тепловизора. Результирующий рисунок показывает, что температура устройства, обусловленная диэлектрическими потерями, для новых MPT-IGBT примерно на 20ºС ниже по сравнению с обычными IGBT при одинаковой силе тока (рисунок 11).

Рис. 10. Тестовый модуль для демонстрации низких диэлектрических потерь путем измерения тепловизором

Рис. 10. Тестовый модуль для демонстрации низких диэлектрических потерь путем измерения тепловизором

Рис. 11. Результат измерения тепловизора, демонстрирующий малые диэлектрические потери MPT-IGBT

Рис. 11. Результат измерения тепловизора, демонстрирующий малые диэлектрические потери MPT-IGBT

Заключение

В новой технологической концепции для следующего поколения IGBT на 1200 В используется технология MPT, оптимизированная для применения в электроприводе. В дополнение к оптимизации ширины канала, дизайн ячейки был адаптирован для лучшего соотношения между потерями на включение и наклоном напряжения (dv/dt) при низких токах. Было достигнуто улучшение VCE,sat на 600 мВ при одинаковом значении Eoff. Кроме того, было достигнуто снижение примерно на 10% величины Eon/A при фиксированном значении наклона напряжения 5 кВ/мкс. В дополнение к вышеперечисленным улучшениям производительности, MPT-IGBT способен сохранять плавность выключения и устойчивость к коротким замыканиям на уровне устройств предыдущих поколений. Для демонстрации значительных улучшений VCE,sat устройств MPT-IGBT был использован тепловизор.

Оригинал статьи

Перевел Алексей Гребенников по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
FF900R12ME7B11BOSA1 (INFIN)
FP10R12W1T7B11BOMA1 (INFIN)
FP10R12W1T7PB3BPSA1 (INFIN)
FP15R12W1T7B11BOMA1 (INFIN)
FP15R12W1T7B3BOMA1 (INFIN)
FP25R12W1T7B11BPSA1 (INFIN)
FP35R12W2T7B11BOMA1 (INFIN)
FS100R12W2T7B11BOMA1 (INFIN)
FS25R12W1T7B11BOMA1 (INFIN)
FS35R12W1T7B11BOMA1 (INFIN)
FS50R12W1T7B11BOMA1 (INFIN)
FS75R12W2T7B11BOMA1 (INFIN)