大功率器件IEGT的前世今生

电源与新能源 时间:2017-04-07来源:电子产品世界

  历史上东芝在中国因为家电闻名,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

  东芝大功率器件有悠久的历史,从上世纪六十年代开始生产可控硅器件,上世纪八十年代在全球范围内率先实现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大功率器件并且得到商业应用,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。

图1 东芝大功率器件变迁图

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。

图2 东芝IEGT的来源

  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)

图3 PMI(Plastic case Module IEGT)

  PMI封装是业界IGBT模块比较常见的形式。

  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的苛刻工况的。

PPI(Press Pack IEGT)

图4 PPI(Press Pack IEGT)

  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:

  1)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;

  2)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;

  3)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;

  4)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;

  5)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

图5 PPI外观

  如图5所示,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。

图6 PPI剖解

  如图6所示,PPI器件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。


图7 PPI内部芯片

  图7展示了PPI内部的芯片,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。

图8 PPI内部侧视图

  图8展示了PPI内部的侧视图,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应用场景

  基于IEGT优异的产品性能,广泛应用在各种大功率驱动设备以及柔性直流输电场景。

图9 PMI部分应用示例

图10 PPI 部分应用示例

  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:

图11 PPI用于目前世界最高容量的柔性直流输电工程(±350kV,1000MW)

PPI的应用支持

  由于国内部分客户对PPI器件不熟悉,可以提供压接及功率单元组件的支持。我们可以展示PPI的应用注意事项、配套耗材(驱动板、散热器、结构组件)的推荐供货渠道以方便客户快速完成新项目的设计工作。

图12 MMC结构PPI组件

图13 三电平结构PPI组件A

图14 三电平结构PPI组件B

IEGT近期方向

  东芝会继续强化在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。客户可以沿用以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一样的电压等级产品。

关键词: 东芝 大功率器件 IEGT

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