大功率器件IEGT的前世今生

  作者:苗汉洁 时间:2017-03-29来源:电子产品世界

作者 / 苗汉洁 东芝电子(中国)分立器件战略业务企划统括部经理

  历史上东芝在中国因家电闻名,上世纪八十年代的中国电视上最经典的东芝广告 “Toshiba,Toshiba,新时代的东芝”几乎家喻户晓,东芝产品也以高品质著称。具备世界一流品质的东芝大功率半导体器件在工业领域也同样有着悠久的历史和良好的口碑,广泛应用于“发电—输配电—用电”的整个能源链。

东芝大功率器件

  东芝从上世纪六十年代开始生产可控硅器件,在上世纪八十年代在全球范围率先实现IGBT器件商业化,在上世纪九十年代率先商业化了压接型的IGBT器件(PPI:Press Pack IGBT),目前已经开发了混合型SiC大功率器件并得到商业应用,后续将推出纯SiC大功率器件。

  PPI器件得益于东芝领先的技术和独特的优势,在日本和欧洲得到了许多客户的青睐,目前在中国市场也得到越来越多的认可,是大功率器件的重要发展方向。

IEGT的来源

  在上世纪九十年代,东芝率先通过栅极注入增强技术,降低了IGBT器件的静态损耗,并且以栅极注入增强技术(Injection Enhanced Gate Transistor)的首字母注册了东芝专属的IGBT器件名称——IEGT,IEGT可以理解为是东芝IGBT的专有名称。所以IEGT和IGCT器件是有着本质不同的,前者是电压型器件,后者是电流型器件。IEGT的电路拓扑上不需要配置阳极电抗器和RDC-snubber电路。

IEGT的两种封装形式

  PMI(Plastic case Module IEGT)封装

  PMI 封装是IGBT模块业界比较常见的形式。东芝的PMI封装通过采用铝碳化硅基板实现更好的散热效果,采用高CTI(CTI=Comparative Tracking Index 相比漏电起痕指数)的材质实现更好的绝缘性。是可以应用于轨道交通牵引这样对工况要求苛刻的应用。

  PPI(Press Pack IEGT)封装

  PPI是东芝率先商业化的独特封装的IGBT器件。随着中国市场对高可靠性、大功率密度IGBT需求的增长,PPI未来拥有越来越广阔的市场。

  东芝的PPI有如下特点:

  高可靠性:因为器件双面散热,并且内部芯片通过无引线的方式键合,所以功率循环寿命的表现优异;

  功率密度大:单颗器件目前最大规格是 4.5KV/3KA,远超PMI的4.5KV/1.2KA规格;

  防爆性能优异:由于采用陶瓷外壳,器件的防爆能力远超塑料外壳的PMI器件;

  方便压接使用:采用圆形封装,便于压力均匀传导至器件内部每一颗芯片;

  方便器件串联:由于器件的上下侧分别是发射级和集电极,从结构上和纽扣电池一样方便多颗串联。

PPI的结构

  PPI器件的上侧是器件发射极,下侧是器件集电极,侧面的陶瓷管壳上引出栅极端子和辅助发射极端子连接驱动板。器件外观和传统的晶闸管器件接近。其内部包含了栅极引线PCB基板、半导体芯片、芯片保护树脂隔板、钼金属片、栅极引脚插针,如图5所示。

  PPI的内部芯片如图6所示,左侧是快恢复二极管芯片,右侧是IEGT芯片。IEGT芯片右上角的小正方形区域是栅极,通过栅极引脚插针连接到栅极引线PCB基板上从而汇聚至侧面陶瓷管壳上的栅极端子。栅极引线PCB基板经过特殊设计以保证各个芯片的一致性。

  PPI内部的侧视图如图7所示,可以看出芯片是通过金属钼材料连接到发射极和集电极的铜基板上,并没有通过焊接引线的方式连接芯片和器件外部电极端子,所以不存在PMI器件在长期热循环工作后引线开裂、断路的失效模式。

IEGT应用及发展

  基于IEGT优异的产品性能,基广泛应用于各种大功率驱动设备及柔性直流输电场景。PMI部分主要应用于高铁、电力机车、地铁/轻轨等产业,PPI部分主要应用于冶金、柔性直流输电、天然气管道输送等产业。其中,基于PPI的高可靠性、高功率密度特性,已经成功用于多个柔性直流输电重点工程。

  东芝将继续强化在PPI器件上的独特优势,继续开发更大电流、更大电压的产品。例如,在4.5KV/3KA器件相同的封装下实现单颗器件4.5KV/4KA通流能力。客户可以沿用之前的设计,通过采用新一代的PPI实现产品的容量升级;在保持大电流能力的情况下实现单颗器件耐压的升级。客户可以使用更少的器件实现同样的电压等级。


  本文来源于《电子产品世界》2017年第4期第17页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。

关键词: 东芝电子 IGBT器件 201704

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