大功率器件IEGT的前世今生

　　歷史上東芝在中國因為家電聞名，上世紀八十年代的中國電視上最經(jīng)典的東芝廣告 “Toshiba，Toshiba，新時(shí)代的東芝”幾乎家喻戶(hù)曉。東芝產(chǎn)品也以高品質(zhì)著(zhù)稱(chēng)。

　　具備世界一流品質(zhì)的東芝大功率半導體器件在工業(yè)領(lǐng)域也同樣有著(zhù)悠久的歷史和良好的口碑，廣泛應用于“發(fā)電—輸配電—用電”的整個(gè)能源鏈。

東芝大功率器件

　　東芝大功率器件有悠久的歷史，從上世紀六十年代開(kāi)始生產(chǎn)可控硅器件，上世紀八十年代在全球范圍內率先實(shí)現IGBT器件商業(yè)化，在上世紀九十年代率先商業(yè)化了壓接型的IGBT器件(PPI：Press Pack IGBT)，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了混合型SiC大功率器件并且得到商業(yè)應用，后續將推出純SiC大功率器件。

　　PPI器件得益于東芝領(lǐng)先的技術(shù)和獨特的優(yōu)勢，在日本和歐洲得到了許多客戶(hù)的青睞，目前在中國市場(chǎng)也得到越來(lái)越多的認可，是大功率器件的重要發(fā)展方向。

IEGT的來(lái)源

　　在上世紀九十年代，東芝率先通過(guò)柵極注入增強技術(shù)降低IGBT器件的靜態(tài)損耗，并且以柵極注入增強技術(shù)(Injection Enhanced Gate Transistor)的首字母注冊了東芝專(zhuān)屬的IGBT器件名稱(chēng)——IEGT，IEGT可以理解為是東芝IGBT的專(zhuān)有名稱(chēng)。

　　IEGT和IGCT器件是有著(zhù)本質(zhì)不同的。前者是電壓型器件、后者是電流型器件。IEGT的電路拓撲上不需要配置陽(yáng)極電抗器和RDC-snubber電路。

IEGT的兩種封裝形式

PMI (Plastic case Module IEGT)

圖3 PMI(Plastic case Module IEGT)

　　PMI封裝是業(yè)界IGBT模塊比較常見(jiàn)的形式。

　　東芝的PMI封裝通過(guò)采用鋁碳化硅基板實(shí)現更好的散熱效果，采用高CTI(CTI=Comparative Tracking Index 相比漏電起痕指數)的材質(zhì)實(shí)現更好的絕緣性。是可以應用于軌道交通牽引這樣的苛刻工況的。

PPI(Press Pack IEGT)

圖4 PPI(Press Pack IEGT)

　　PPI是東芝率先商業(yè)化的獨特封裝的IGBT器件。隨著(zhù)中國市場(chǎng)對高可靠性、大功率密度IGBT需求的增長(cháng)，PPI未來(lái)?yè)碛性絹?lái)越廣闊的市場(chǎng)。

　　東芝的PPI有如下特點(diǎn)：

　　1)高可靠性：因為器件雙面散熱并且內部芯片通過(guò)無(wú)引線(xiàn)的方式鍵合，所以功率循環(huán)壽命的表現優(yōu)異;

　　2)功率密度大：?jiǎn)晤w器件目前最大規格是 4.5KV/3KA，遠超PMI的4.5KV/1.2KA規格;

　　3)防爆性能優(yōu)異：由于采用陶瓷外殼，器件的防爆能力遠超塑料外殼的PMI器件;

　　4)方便壓接使用：采用圓形封裝，便于壓力均勻傳導至器件內部每一顆芯片;

　　5)方便器件串聯(lián)：由于器件的上下側分別是發(fā)射級和集電極，從結構上和紐扣電池一樣方便多顆串聯(lián)。

PPI的結構

圖5 PPI外觀(guān)

　　如圖5所示，PPI器件的上側是器件發(fā)射極，下側是器件集電極，側面的陶瓷管殼上引出柵極端子和輔助發(fā)射極端子連接驅動(dòng)板。器件外觀(guān)和傳統的晶閘管器件接近。

圖6 PPI剖解

　　如圖6所示，PPI器件內部包含了柵極引線(xiàn)PCB基板、半導體芯片、芯片保護樹(shù)脂隔板、鉬金屬片、柵極引腳插針。

圖7 PPI內部芯片

　　圖7展示了PPI內部的芯片，左側是快恢復二極管芯片，右側是IEGT芯片。IEGT芯片右上角的小正方形區域是柵極，通過(guò)柵極引腳插針連接到柵極引線(xiàn)PCB基板上從而匯聚至側面陶瓷管殼上的柵極端子。柵極引線(xiàn)PCB基板經(jīng)過(guò)特殊設計以保證各個(gè)芯片的一致性。

圖8 PPI內部側視圖

　　圖8展示了PPI內部的側視圖，可以看出芯片是通過(guò)金屬鉬材料連接到發(fā)射極和集電極的銅基板上，并沒(méi)有通過(guò)焊接引線(xiàn)的方式連接芯片和器件外部電極端子，所以不存在PMI器件在長(cháng)期熱循環(huán)工作后引線(xiàn)開(kāi)裂、斷路的失效模式。

IEGT應用場(chǎng)景

　　基于IEGT優(yōu)異的產(chǎn)品性能，廣泛應用在各種大功率驅動(dòng)設備以及柔性直流輸電場(chǎng)景。

圖9 PMI部分應用示例

圖10 PPI 部分應用示例

　　基于PPI的高可靠性、高功率密度特性，已經(jīng)成功用于多個(gè)柔性直流輸電重點(diǎn)工程：

圖11 PPI用于目前世界最高容量的柔性直流輸電工程(±350kV，1000MW)

PPI的應用支持

　　由于國內部分客戶(hù)對PPI器件不熟悉，可以提供壓接及功率單元組件的支持。我們可以展示PPI的應用注意事項、配套耗材(驅動(dòng)板、散熱器、結構組件)的推薦供貨渠道以方便客戶(hù)快速完成新項目的設計工作。

圖12 MMC結構PPI組件

圖13 三電平結構PPI組件A

圖14 三電平結構PPI組件B

IEGT近期方向

　　東芝會(huì )繼續強化在PPI器件上的獨特優(yōu)勢，繼續開(kāi)發(fā)更大電流、更大電壓的產(chǎn)品。例如，在4.5kV/3kA器件相同的封裝下實(shí)現單顆器件4.5kV/4kA通流能力?？蛻?hù)可以沿用以前的設計通過(guò)采用新一代的PPI實(shí)現產(chǎn)品的容量升級;在保持大電流能力的情況下實(shí)現單顆器件耐壓的升級?？蛻?hù)可以使用更少的器件實(shí)現一樣的電壓等級產(chǎn)品。