№8 / 2018 / статья 7

Тенденции разработки кремниевых IGBT диапазона напряжений до 1200 В

Антон Маудер (Infineon Technologies)

В течение нескольких поколений транзисторы IGBT проходили непрерывную оптимизацию статических и динамических характеристик. Тем не менее, статические характеристики современных IGBT еще далеки от физического предела, а динамические часто определяются ограничениями конкретного применения. Куда и за счет чего развиваться дальше?

Характеристики технологий IGBT Trench Gate и Field Stop, представленных в конце XX века, постоянно улучшаются. Прогресс в развитии технологических процессов позволил уменьшить расстояние между ячейками, что привело к существенному снижению потерь в проводящем состоянии и улучшению коммутационных характеристик IGBT. В то же время стали более заметны ограничивающие факторы, определяемые условиями эксплуатации IGBT, которые препятствуют дальнейшему улучшению характеристик кремниевых силовых ключей и уменьшению потерь.

Правильный выбор силового ключа – важнейшая часть процесса разработки. Рассмотрим технические характеристики нового поколения кремниевых транзисторов IGBT с максимальным напряжением 600…750 В. Характеристики этих транзисторов могут быть частично экстраполированы на более высоковольтные приборы в зависимости от области их применения.

«Идеальный» силовой ключ

Потери являются неизбежным сопутствующим фактором в работе силовых ключей, вследствие чего необходимо минимизировать статические потери ключа в открытом и закрытом состояниях. Коммутационные потери определяются перекрытием по времени приложенного напряжения и тока ключа, то есть допустимой траекторией переключения в зависимости от конкретного применения ключа [1]. Потерями схемы управления высоковольтными устройствами можно в данном случае пренебречь ввиду того, что они значительно меньше коммутационных потерь силового каскада.

На рисунке 1 показаны идеализированные процессы жесткой коммутации силового ключа без учета влияния паразитных элементов. Минимум потерь в идеальном ключе может быть достигнут в том случае, когда скорости изменения тока и напряжения (dv/dt, di/dt) ограничены предельными режимами, заданными силовой частью устройства. Минимум коммутационных потерь можно оценить, вычислив интеграл от произведения тока ключа и приложенного к нему напряжения.

Рис. 1. Идеализированные графики включения и выключения силового ключа без учета влияния паразитных элементов схемы

Рис. 1. Идеализированные графики включения и выключения силового ключа без учета влияния паразитных элементов схемы

Таким образом, коммутационные потери идеального силового ключа определяются допустимой скоростью процессов переключения. Следовательно, дальнейшее снижение коммутационных потерь возможно только за счет получения более крутых фронтов импульсов включения и выключения силового ключа. Данное ограничение действует независимо от типа силового полупроводникового ключа и применимо для всех полупроводниковых материалов – как для кремния, так и для широкозонных полупроводниковых материалов.

Реальный силовой ключ — IGBT

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) с рабочим напряжением более 600 В используются в качестве силовых ключей в течение нескольких десятилетий. Незадолго до начала нового тысячелетия были внедрены важные нововведения, повлиявшие на развитие технологии IGBT — затвор в виде глубокой канавки (Trench Gate), оптимизированная вертикальная структура эмиттера и буферный слой (Field Stop), блокирующий электрическое поле. Введенные усовершенствования позволили значительно снизить кондуктивные и коммутационные потери.

Стоимость полупроводниковых (п/п) приборов зависит от площади кристалла, которая, в свою очередь, определяется мощностью, рассеиваемой п/п прибором в конкретном варианте применения. Кристаллы большей площади обеспечивают более эффективный отвод тепла в окружающую среду при прочих равных условиях. Уменьшение стоимости п/п прибора за счет использования кристалла меньшего размера возможно только при снижении потерь силового ключа. Развитие технологии силовых п/п приборов в настоящее время достигло такого уровня, что зачастую фактором, ограничивающим рост частоты коммутации, является форма переходных процессов при переключении в условиях реального приложения. Вследствие этого одним из направлений дальнейших исследований является снижение потерь силовых ключей в проводящем состоянии.

Уменьшение потерь IGBT

Характеристики IGBT в проводящем состоянии улучшаются благодаря наличию слаболегированной области, обеспечивающей блокирующее напряжение между областями с электронной и дырочной проводимостями. Однако при переходе от открытого к закрытому состоянию ключа рассасывание избыточного заряда, накопленного в этой области, увеличивает коммутационные потери. Потери проводимости могут быть уменьшены посредством формирования затвора в виде канавки (trench gate). Оптимизированная вертикальная структура (введение структур Field Stop) позволила уменьшить как кондуктивные, так и коммутационные потери. IGBT, изготовленные по технологии “Trench field stop”, занимают в настоящее время доминирующие позиции на рынке силовых п/п приборов и в большинстве применений практически вытеснили транзисторы, выполненные по технологиям предыдущих поколений – “punch-through” и “non-punch through”.

Уменьшение потерь в проводящем состоянии

Усовершенствования производственных процессов позволили создавать тонкие структуры в силовых транзисторах. В частности – ячейки с канавками с уменьшенным шагом и малой величиной зазора между ними. Дополнительное увеличение концентрации носителей в области контакта эмиттера по сравнению с IGBT с классической технологией ячейки с канавками (рисунок 2) возможно за счет ограничения потока дырок избыточного заряда через область р-типа к выводу эмиттера. Большая концентрация носителей в области ниже контакта эмиттера приводит к значительному увеличению электропроводности в области дрейфа и, таким образом, уменьшает прямое падение напряжения [2] по сравнению с классическим вариантом транзистора, изготовленного по технологии IGBT3 (рисунок 3). Особого внимания заслуживает тот факт, что номинальное напряжение IGBT с малыми зазорами между ячейками (рисунок 3) составляет 750 В, что на 100 В больше, чем в классическом варианте IGBT “trench field stop”.

Рис. 2. Схема IGBT с вертикальной структурой и малой величиной зазора между ячейками и распределение носителей (в) в сравнении с планарным IGBT (a) и “trench cell” (б)

Рис. 2. Схема IGBT с вертикальной структурой и малой величиной зазора между ячейками и распределение носителей (в) в сравнении с планарным IGBT (a) и “trench cell” (б)

Рис. 3. Сравнение прямого падения напряжения в проводящем состоянии VCE IGBT с малыми зазорами между ячейками (EDT2) и IGBT “trench field stop” (IGBT3)

Рис. 3. Сравнение прямого падения напряжения в проводящем состоянии VCE IGBT с малыми зазорами между ячейками (EDT2) и IGBT “trench field stop” (IGBT3)

Градиент распределения носителей создает диффузионный ток электронов через область дрейфа, который добавляется к суммарному току. При этом на соответствующую величину уменьшается дрейфовый ток и, следовательно, снижается падение напряжения в области дрейфа [3]. Тонкие структуры ячейки с канавкой могут быть использованы, например, для получения заданных значений емкости «коллектор-затвор» или отношения емкостей «коллектор-затвор» и «коллектор-эмиттер». Ранее в статье [2] был предложен вариант отдельных, не соединенных между собой, полупроводниковых областей между затворными канавками или формирования нелегированных зон возле затворов. Таким образом, для конкретных вариантов применения могут быть получены, например, заданные крутизна характеристики IGBT или ток насыщения при коротком замыкании [5].

Уменьшение потерь выключения

При выключении IGBT электроны и дырки должны быть удалены из области дрейфа для создания зоны пространственного заряда (SCA) в обедненной, слаболегированной области дрейфа. Электрическое поле в области пространственного заряда блокирует напряжение, приложенное к транзистору. На рисунке 4 схематически показан процесс выключения IGBT с малыми зазорами между ячейками. В изображенный на рисунке 4 момент времени избыточный заряд в области дрейфа частично удален, при этом дырки перемещаются через зону пространственного заряда к области с проводимостью p-типа и, далее, — к выводу эмиттера. Положительный заряд дырок, перемещаясь в электрическом поле области пространственного заряда, приводит к возникновению коммутационных потерь.

Рис. 4. Схема выключения транзистора – удаление остаточного избыточного заряда и формирование поля в области пространственного заряда (SCA)

Рис. 4. Схема выключения транзистора – удаление остаточного избыточного заряда и формирование поля в области пространственного заряда (SCA)

Из рисунка 4 следует, что узкие зазоры между ячейками IGBT позволяют снизить концентрацию дырок под контактом эмиттера в закрытом состоянии транзистора. По сравнению с обычным вариантом IGBT “trench field stop”, IGBT с узкими зазорами показывает тот же уровень коммутационных потерь, либо их незначительное увеличение при существенном улучшении характеристик в проводящем состоянии. В любом случае можно найти рабочую точку с наиболее оптимальным распределением между кондуктивными и коммутационными потерями.

Электроны избыточного заряда перемещаются к контакту коллектора в нижней стороне структуры через слой остаточного избыточного заряда с высокой проводимостью. Удаление этого заряд производится через область с практически нулевой напряженностью электрического поля, вследствие чего он оказывает только косвенное влияние на коммутационные потери – из-за дополнительной инжекции дырок из нижнего эмиттерного слоя.

В качестве примера рисунок 5 иллюстрирует соотношение потерь в проводящем состоянии и потерь при выключении для трех уровней инжекции эмиттера p-типа. Для обычного IGBT выбор соотношения кондуктивных и коммутационных потерь также имеется, но с меньшими возможностями для его оптимизации. В статье [4] показаны различные способы оптимизации IGBT с тонкой структурой ячеек в сочетании с вариациями вертикальной структуры, особенно в части точно подобранных параметров области эмиттера p-типа в нижней части транзистора.

Рис. 5. Зависимость Vce и EOFF для IGBT с малыми зазорами (EDT2) и IGBT “trench field stop” (IGBT3) [2]

Рис. 5. Зависимость VCE и EOFF для IGBT с малыми зазорами (EDT2) и IGBT “trench field stop” (IGBT3) [2]

Из рисунка 4 видно, что эмиттеры p-типа с меньшей величиной инжекции дают меньшую плотность избыточных зарядов возле коллектора и в области дрейфа и, соответственно, меньшие потери при выключении. Иначе говоря, при выключении транзистора меньшее число дырок проходит через область пространственного заряда, что способствует уменьшению потерь. Таким образом, концепция IGBT с узкими зазорами позволяет создавать силовые п/п ключи для широкого спектра применений – от классических устройств управления приводами и резонансных преобразователей до преобразовательных устройств с большой частотой коммутации, в которых до недавнего времени использовались, в основном, МОП-транзисторы.

В кристаллах с малой плотностью избыточного заряда в области коллектора коммутационные потери могут быть снижены до уровня, позволяющего IGBT конкурировать, при сопоставимых условиях эксплуатации, с МОП-транзисторами, изготовленными по технологии “superjunction” предыдущих поколений.

При выключении IGBT необходимо ограничивать скорость изменения тока, так как паразитные индуктивности могут давать значительные импульсные перенапряжения. Импульсное напряжение, приложенное к транзистору, не должно превышать максимально допустимого напряжения «коллектор-эмиттер» в закрытом состоянии. Скорость изменения тока во время выключения зависит от плотности избыточного заряда в области коллектора и, соответственно, слоя эмиттера с проводимостью p-типа. Как показывают две крайние точки уровней инжекции на рисунке 5, при использовании эмиттера p-типа с сильной инжекцией потери при выключении увеличиваются примерно на 1/3 по сравнению с эмиттером со слабой инжекцией, в то время как прямое падение напряжения при одном и том же токе уменьшается приблизительно на 0,1 В. Таким образом, IGBT с узкими зазорами наиболее эффективно могут использоваться в схемах с непосредственным соединением с шинами питания, то есть при малых величинах паразитной индуктивности выводов IGBT и соединительных проводников. Крутые фронты импульсов выключения допустимы в случае выбора IGBT с узкими зазорами, имеющего малый уровень инжекции эмиттера p-типа, что позволяет снизить общую величину потерь.

Все IGBT с высокой плотностью избыточного заряда под контактом эмиттера в верхней части структуры характеризуются несколько большей задержкой выключения. Увеличенное время задержки выключения обусловлено процессом снижения плотности носителей заряда под контактом эмиттера, однако оно не оказывает значительного влияния на потери, так как напряжение на выводах IGBT в этом интервале времени близко к напряжению насыщения. Перспективные компоненты, характеристики которых приближены к физическому пределу IGBT, описанному в [3], будут иметь еще большую задержку выключения, обусловленную распределением плотности избыточных носителей заряда.

Характеристики процесса включения IGBT

Скорость нарастания тока нагрузки IGBT (diC/dt) при жестком режиме коммутации во многом зависит от требований к схеме и условий эксплуатации изделия. К ним относятся, в частности, соответствие нормам электромагнитной совместимости (ЭМС) и отсутствие экстремально больших импульсных перенапряжений, обусловленных большой скоростью изменения тока в сочетании с паразитными индуктивностями в смежных цепях. Например, чрезмерно большая скорость diC/dt в мостовой схеме с IGBT  может вызвать накапливание большого заряда во встроенном диоде. Кроме того, падение напряжения при включении (dvCE/dt) не должно превышать допустимый предел, определяемый характеристиками устройства.

По этим причинам во многих силовых устройствах включение IGBT принудительно замедляется с помощью резистора в цепи затвора. Более медленный переходный процесс diC/dt и сопутствующий ему dvCE/dt, зависящий от емкости обратной связи «коллектор-затвор», приводят к увеличению потерь включения. Для снижения коммутационных потерь в импульсных источниках питания с крутыми фронтами импульсов тока и напряжения транзисторы IGBT объединяют с карбид-кремниевыми диодами Шоттки (SiC). Использование диодов SiC позволяет исключить один из факторов коммутационных потерь, обусловленный накоплением заряда в диодах с p-n-переходом.

Выводы и дальнейшие перспективы

В последние годы статические характеристики IGBT в проводящем состоянии существенно улучшились благодаря прогрессу в области современных п/п технологических процессов. В любом случае статические характеристики современных кремниевых п/п приборов находятся достаточно далеко от физического предела, установленного ранее в статье [3]. В течение нескольких поколений IGBT проходили непрерывную оптимизацию своих статических и динамических характеристик.

Ограничивающими факторами силовых преобразовательных устройств с жесткой коммутацией являются, как правило, допустимые скорости нарастания и спада тока и напряжения во время коммутационных процессов. Как следствие, эти ограничения определяют минимально возможные коммутационные потери. Зачастую современные кремниевые п/п приборы могут обеспечивать более высокие скорости переключения, чем это допускается условиями их применения в конкретных устройствах. Фактически, они могли бы разрабатываться для применения в силовых устройствах с более быстрыми коммутационными процессами.

Структура современных IGBT с узкими зазорами может быть сформирована таким образом, чтобы их коммутационные характеристики соответствовали различным вариантам применения. IGBT, выполненный в варианте с малыми потерями переключения, может использоваться для замены обычных или медленных МОП-транзисторов, изготовленных по технологии «superjunction». Даже в тех случаях, когда скорости нарастания и спада тока IGBT ограничены устройствами, в которых они применяются, новая структура IGBT дает значительный выигрыш по кондуктивным и коммутационным потерям, по сравнению с классическими IGBT, выполненными по технологии «trench-field stop».

Литература

  1. Wolter, F., Rupp, R., Häberlen, O.: Next level Silicon, SiC and GaN – a balanced view on future power semiconductor switches. Proceedings of APE – Congress on Automotive Power Electronics, Paris, 2015;
  2. Wolter, F., Rösner, W., Cotorogea, M., Geinzer, T., Seider-Schmitt, M., Wang, K.-H.: Multi-dimensional trade-off considerations of the 750V Micro Pattern Trench IGBT for Electric Drive Train Applications. Proceedings of the 27th ISPSD, Hongkong, 2015, p. 105-108;
  3. Nakagawa, A.: Theoretical Investigation of Silicon Limit Characteristics of IGBT. Proceedings of the 18th ISPSD, Naples, 2006, p. 5-8;
  4. Kimmer, T., Griebl, E.: Trenchstop 5: A new application specific IGBT series. Proceedings PCIM Europe 2012, Nürnberg, 2012, p. 20-127;
  5. Jäger, C., Philippou, A., Vellei, A., Laven, J. G., Härtl, A.: A new sub-micron trench cell concept in ultrathin wafer technology fornext Generation 1200 V IGBTs. Proceedings of the 29th ISPSD, Sapporo, 2017, p. 69-72.

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