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當涉及到高可靠性要求的大功率應用時，傳統的標準封裝HVIGBT模塊仍然是較好的選擇。本文解釋了選擇標準封裝的原因以及如何通過各種創新技術使其產品性能提升一個層次。

Nils Soltau1, Eugen Stumpf1, Junya Sakai2, Hitoshi Uemura2

1：三菱電機歐洲有限公司

2：三菱電機功率器件制作所

摘要

20世紀90年代后期，2500V和3300V等高額定電壓的IGBT功率模塊開始開發和商用。最初，這些HVIGBT被設計為GTO的替代品，用于大功率和高可靠性要求的應用場合，例如鐵路牽引逆變器^[1]。隨后也在其它許多大功率場合開始應用。

當時采用的元件封裝與現在HVIGBT功率模塊具有相同的外形。也就是廣為熟知的標準封裝，尺寸為190mm*140mm。

標準類型封裝的優點是具有較大的電流等級。由于模塊內部一般為單個開關器件，為復雜轉換器拓撲應用提供了很大的靈活性。三菱電機采用最新的芯片和封裝技術進一步開發了新系列標準封裝HVIGBT。

最新的標準封裝HVIGBT采用先進的X系列芯片組，電壓等級從1700V到6500V。圖1顯示了不同的標準封裝類型。本文展示了三菱電機開發這些功率模塊的原因和目的。與前幾代相比，這些功率模塊的效率、功率密度和魯棒性都有所提高。我們將對實現這一改進的關鍵技術進行研究。

適用標準封裝HVIGBT的應用

HVDC

考慮到大容量電力傳輸，基于IGBT功率模塊的高壓直流輸電技術已經比較成熟。與傳統的基于晶閘管的傳輸系統相比，IGBT方案更緊湊、更靈活^[2]。在最先進的高壓直流輸電系統中，直流輸電電流可以達到2kA甚至更高^[3][4]。

STATCOM

可再生能源發電在電網中的占比正在穩步增加。與此同時，與二氧化碳減排目標相關的燃煤發電占比正在下降。由于大型發電機組減少導致電網系統慣性降低，以及可再生能源發電的波動，都給電網的穩定帶來了困難。STATCOMs(靜止同步補償器)能夠通過提供無功功率、有源濾波、減少閃爍或穩定頻率來穩定電網。基于MMC的STATCOM是高度模塊化的^[5]，例如文獻^[6]提出的單個變流器支路可以提供±400MVA的感性或容性無功功率。

中壓驅動器

中壓(MV)驅動器允許在3.3kV或更高的電壓范圍內控制大功率電機和發電機的速度。這些驅動系統用于海上風力發電、研磨機、傳送帶、壓縮機或船舶推進器。通常，這些驅動器有很高的可靠性要求。為了回收電能，雙向功率傳遞往往是強制性的。對于這樣的中壓驅動器，經常使用多電平轉換器拓撲，如三電平 NPC轉換器或其它五電平或者7電平拓撲^[6]。

上述所有應用都有一個共同點，即它們都需要具有較大電流能力的IGBT功率模塊。此外，終端客戶對變換器的可靠性和半導體功率模塊的魯棒性有很高的要求。特別是當考慮3電平、5電平或7電平變換器拓撲時，疊層母排設計變得具有挑戰性。因此，半導體功率模塊應為變流器設計提供盡可能多的自由度。

上面的三個例子表明標準封裝仍然是很多應用的首選。在130×140mm²的封裝中，標準封裝功率模塊輸出電流可以達到2400A。此外，該封裝在幾十年的現場運行中被證明是合適的。標準封裝最初的特點是內置單個開關功率器件。在變流器設計中，單個開關允許最大的自由度，這對于多電平拓撲結構尤其重要。另一個用途是開發或完善現有的變流器平臺。新的標準封裝功率模塊的外形與前幾代功率模塊兼容。因此，切換到較新的一代HVIGBT模塊是很容易實現的。新一代HVIGBT模塊允許更高的輸出電流、更高的功率循環能力和對濕度的魯棒性。圖2說明了X系列HVIGBT模塊可以將輸出電流增加50%或將尺寸減小到2/3。

圖2 與之前的H系列相比，新的X系列輸出電流和緊湊性得到了改進

X系列標準封裝功率模塊技術特點

CSTBT (III) and RFC二極管

這一代高壓功率模塊利用了第7代芯片的所有優勢，IGBT采用了CSTBT (III)（Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor）芯片技術，續流二極管采用RFC (Relaxed Field of Cathode)結構。這兩種芯片技術可以實現通態損耗、開關損耗的降低和增強的開關性能，同時擴展了魯棒性、低損耗和SOA這三項技術邊界。

CSTBT是三菱電機的注冊商標。CSTBT技術是IGBT溝槽柵結構的改進技術。三菱電機1994年提出的溝槽柵結構功率器件，與平面柵IGBT相比^[7]，可以降低通態電壓以及增強抗閂鎖性能。溝槽柵IGBT的一個主要優點是消除寄生JFET電阻。該技術與LPT(Light Punch Through)技術相結合，可以顯著降低IGBT的V_CE(sat)。

CSTBT在柵極溝槽之間的p基區下面插入n層，n層用于儲存載流子，因此，CSTBT結構中載流子分布就和PIN二極管一樣。少子濃度增加，通過復合，進一步減少通態損耗^[8]。圖3是三菱電機提出的CSTBT技術與傳統溝槽柵技術的差異。半透明的n掩埋層增加了n-漂移層中少子的濃度。

圖3 CSTBT與傳統IGBT的比較

CSTBT (III)是對CSTBT技術的進一步改進發展，其重點在于降低關斷損耗和增強V_GE(th)等特性參數分布的均勻性^[9]。在被SiC功率器件替代之前，這一改進可以進一步提升Si器件的利用率。

另一方面在續流二極管中開發并應用RFC技術，提高了效率和可靠性。通過引入“輕穿透(LPT) II”和“控制載流子層(Controlling Carrier-Plasma Layer，CPL)” 等技術^{[10] [11] [12]}，提高了動態魯棒性和恢復柔軟度兩個特性。圖4顯示了芯片背面LPT（II）緩沖層，主要用于提高二極管的柔軟性，改善EMC特性，從而提高整個功率模塊的魯棒性。

圖4 RFC二極管結構

RBSOA能力

HVIGBT的一個關鍵參數是其關斷能力。因此，需要一個寬的關斷安全工作區，稱為RBSOA(反向偏置安全工作區)。通常，規定的最大關斷電流是數據表中提到的額定電流的兩倍。為了保證功率模塊在所謂浴盆曲線“使用壽命”區間低FIT運行，實際的關斷能力必須高于規格設定值。下面的示例演示了規格值和實際能力之間的差距有多大。在本例中，使用6500V功率模塊的一部分功率單元來進行關斷試驗，其額定電流為330A。圖5顯示了在V_CC= 4500V，T_j=150°C的最惡劣工況下關斷電流2000A。實際關斷能力是RBSOA規格值(330Ax2)的3倍。文檔[13]中提到1000A/6500V功率模塊CM1000HG-130XA的關斷，其關斷裕度是RBSOA的4倍。

圖5 關斷波形（2us/div）

短路魯棒性

為了增強變換器的魯棒性和減少故障后的停機時間，IGBT功率模塊通常要求具有抗短路能力。但是，并不是每一種短路對功率模塊的影響都是一樣的。短路有不同的分類，例如，當在IGBT開啟之前發生短路，稱為1類短路。相反，當IGBT已經開通并流過電流時發生短路，稱為2類短路^[14]。

圖6顯示了2類短路的測試設置。IGBT 1常關，只用于續流。IGBT 2是實際的被測器件(DUT)。“短路器”IGBT 3與短路電感L_SC一起模擬短路，L_SC大大低于負載電感L_load。開始測試時，DUT導通，電流增加。當達到所需的測試電流時，打開短路器，導致電流急劇上升。在指定的時間后，DUT關斷。存儲在電感L_SC和L_load中的電流通過IGBT 1續流。當電流為零時，測試結束。

圖6 2類短路測試裝置

圖7展示了6.5 kV功率模塊的短路耐受能力。試驗采用CM1000HG-130XA的三個主端子中的一路（也即1/3模塊），對應約330A的額定電流。在短路發生時刻，IGBT內流過3倍的額定電流，即1000A。在短路過程中，當IGBT發生退飽且電流不再上升時，電流達到幾乎4kA。經過10μs后，DUT成功地關斷，并完好無損。這次測試再次證明了X系列功率模塊的高魯棒性。

圖7 使用CM1000HG-130XA 1/3部分進行2類短路測試波形（工況：V_C_C=4200V T_j=150°C, V_GE=15V, tw=10μs, I_C (短路發生之前)=1000A (3倍額定電流)）

功率循環能力

盡管X系列標準封裝功率模塊從外部看起來類似于前幾代，但內部包含了許多技術改進。許多這些改進的目標是增加功率模塊的功率循環能力。

與前幾代相比，X系列使用高溫焊料進行芯片連接。此外，除了金屬化陶瓷基板的改進，用于將基板連接到底板的焊料也得到了改進。最后，采用改進的凝膠材料進一步提高了功率循環能力。進行了如圖8所示的功率循環測試。經確認，與前一代相比，新封裝技術使功率模塊的功率循環能力提高了2.7倍^[15]。

圖8 3.3kV X系列功率模塊與上一代的功率循環次數對比試驗^[15]

抗濕度魯棒性

近十年來，濕度、溫度、污染等環境因素對電力設備可靠性的影響已成為主要研究課題，對于室外設備應用環境，這些因素無法控制。本章描述了功率模塊在濕度環境下的魯棒性。文獻[16] [17]描述了這種抗濕魯棒性設計的必要性。

硅凝膠是功率模塊中最常用的封裝材料。硅凝膠中如果存在濕氣，當應用在相對較高的電壓時，會激發偶極子的形成，即所謂的表面電荷Q_SS。表面電荷數量對芯片場限環和雪崩擊穿電壓有顯著影響。圖9為6.5 kV IGBT芯片的表面電荷與阻斷電壓能力的關系^[18]。濕度帶來的電壓阻斷能力降低可能導致災難性的故障，這種不可預測的故障是要避免的。通過對封裝材料、芯片結構和鈍化材料的改進^[18]，可以達到抗濕度的效果。同時設計專用芯片結構，提高功率芯片的固有抗擾度是減小濕度對功率器件可靠性影響的關鍵因素。

圖9 表面電荷Q_SS與阻斷電壓的關系

2015年三菱電機提出了SCC(表面電荷控制)技術^[19]。圖10展示了SCC技術的概念。它在鈍化層下使用半絕緣層而不是絕緣層。該技術可以降低寄生電容，并作為通流路徑發揮重要作用。在電壓偏置條件下，由高電場產生的載流子在硅層表面和半絕緣層或者傳統絕緣層之間的界面上聚集。然而，載流子會通過優化的半絕緣層清除，如圖10所示。另外，漏電流密度存在溫度依賴性。在室溫下，由于有額外的漏電流通過半絕緣層，SCC類型的漏電流密度略高于無SCC類型。

圖10 表面電荷控制（SCC）概念

另一方面，SCC型在高溫時具有優越的特性，因為半絕緣層在終端實現最佳的電場分布^[19]。抗濕度魯棒性的驗證可以通過文獻[18]中提出的測試來完成(參見圖11)。這個測試使功率模塊內部在較高的濕度應力下產生凝露。三菱電機提出了一種新的自動凝露試驗方法，利用濕度箱更有效地進行循環凝露試驗^[20]。這種自動測試有助于推導出現場工況與嚴苛的考核測試之間的加速因子。此外，為了了解在一定濕度下濕度和溫度變化對功率模塊退化的影響，文獻[21]中提出了壽命模型。

圖11 凝露測試步驟

目前三菱電機將溫度、濕度和電場這三個應力因素結合起來進行可靠性試驗，也即H3TRB，是三菱電機在高壓功率模塊發布前進行的一種標準加速可靠性試驗。在85°C/85%RH條件下，將X系列與傳統模塊進行對比，測試結果表明X系列性能提高了100多倍。在IEC 60721-3-5 5K2參考條件下，從H3TRB測試結果可以得到X系列可以實現抗8000次凝露的空前魯棒性^[22]。

結論

X系列功率模塊包括額定電壓1.7kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV的器件，其模塊列表如圖12所示。優先開發的是采用大封裝尺寸140x190 mm²的大電流等級功率模塊，其次是中封裝130x140mm²的功率模塊。目前，在滿足熱設計的前提下，為同一額定電壓和額定電流值又開發了上述兩種不同封裝的功率模塊。圖12中所示的功率模塊已完成開發，并順利通過了所有的可靠性測試，測試報告可根據要求提供。所有使用的封裝材料均符合歐洲鐵路安全標準EN45545。

圖12 X系列HVIGBT功率模塊列表（*產品開發中）

用于大功率高可靠性應用的高壓IGBT模塊

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