英飞凌各代IGBT模块技术详解

英飞凌各代IGBT模块技术详解

IGBT 是绝缘门极双极型晶体管（Isolated Gate Bipolar Transistor）的英文缩写。它是八十年代末，九十年代初迅速发展起来的新型复合器件。由于它将 MOSFET 和 GTR 的优点集于一身，既有输入阻抗高，速度快，热稳定性好，电压驱动（MOSFET 的优点，克服 GTR 缺点）；又具有通态压降低，可以向高电压、大电流方向发展（GTR 的优点，克服 MOSFET 的缺点）等综合优点，因此 IGBT 发展很快，在开关频率大于 1KHz，功率大于 5KW 的应用场合具有优势。随着以 MOSFET、IGBT 为代表的电压控制型器件的出现，电力电子技术便从低频迅速迈入了高频电力电子阶段，并使电力电子技术发展得更加丰富，同时为高效节能、省材、新能源、自动化及智能化提供了新的机遇。

英飞凌／EUPEC IGBT 芯片发展经历了三代，下面将具体介绍。

一、IGBT1－平面栅穿通（PT）型 IGBT （1988 1995）

西门子第一代 IGBT 芯片也是采用平面栅、PT 型 IGBT 工艺，这是最初的 IGBT 概念原型产品。生产时间是 1990 年－ 1995 年。西门子第一代 IGBT 以后缀为“DN1” 来区分。如 BSM150GB120DN1。

图 1.1 PT-IGBT 结构图

PT 型 IGBT 是在厚度约为 300－500μm 的硅衬底上外延生长有源层，在外延层上制作IGBT 元胞。PT-IGBT 具有类 GTR 特性，在向 1200V 以上高压方向发展时，遇到了高阻、厚外延难度大、成本高、可靠性较低的障碍。因此，PT-IGBT 适合生产低压器件，600V 系列 IGBT 有优势。

二、IGBT2－第二代平面栅 NPT-IGBT

西门子公司经过了潜心研究，于 1989 年在 IEEE 功率电子专家会议（PESC）上率先提出了 NPT－IGBT 概念。由于随着 IGBT 耐压的提高，如电压VCE≥1200V，要求 IGBT 承受耐压的基区厚度dB>100μm，在硅衬底上外延生长高阻厚外延的做法，不仅成本高，而且外延层的掺杂浓度和外延层的均匀性都难以保证。1995 年，西门子率先不用外延工艺，

采用区熔单晶硅批量生产 NPT－IGBT 产品。西门子的 NPT-IGBT 在全电流工作区范围内具有饱和压降正温度系数，具有类 MOSFET 的输出特性。

图 1.2 NPT-IGBT 结构图

西门子／EUPEC IGBT2 最典型的代表是后缀为“DN2”系列。如 BSM200GB120DN2。“DN2”系列最佳适用频率为 15KHz－20KHz，饱和压降 VCE(sat)=2.5V。“DN2”系列几乎

适用于所有的应用领域。西门子在“DN2”系列的基础上通过优化工艺，开发出“DLC”系列。“ DLC ” 系列是低饱和压降，（ VCE(sat)=2.1V ），最佳开关频率范围为

1KHz － 8KHz 。“DLC”系列是适用于变频器等频率较低的应用场合。后来 Infineon／EUPEC 又推出短拖尾电流、高频“KS4”系列。“KS4”系列是在“DN2”的基础上，开关频率

得到进一步提高，最佳使用开关频率为 15KHz－30KHz。最适合于逆变焊机，UPS，通

信电源，开关电源，感应加热等开关频率比较高（fK≥20KHz）的应用场合。在这些应用

领域，将逐步取代“DN2”系列。EUPEC 用“KS4”芯片开发出H—桥（四单元）IGBT 模块，

其特征是内部封装电感低，成本低，可直接焊在 PCB 版上（注：这种结构在变频器应用

中早已成熟，并大量使用）。总之，EUPEC IGBT 模块中“DN2”、“DLC”、“KS4”采用

NPT 工艺，平面栅结构，是第二代 NPT-IGBT。

三、IGBT3 IGBT3－沟槽栅(Trench Gate) 在平面栅工艺中，电流流向与表面平行时，电

流必须通过栅极下面的 p 阱区围起来的一个结型场效应管（JFET），它成为电流通道的

一个串连电阻，在沟槽栅结构中，这个栅下面的 JFET 通过干法刻蚀工艺消除了，因此形

成了垂直于硅片表面的反型沟道。这样 IGBT 通态压降中剔除了 JFET 这部分串联电阻的贡献，通态压降可大大降低。Infineon／EUPEC 1200V IGBT3 饱和压降VCE(sat)＝1.7V。电场终止层（Field Stop）技术是吸收了 PT、NPT 两类器件的优点。在 FS 层中其掺杂浓度比 PT 结构中的 n＋缓冲层掺杂浓度低，但比基区 n—层浓度高，因此基区可以明显减

薄（可以减薄 1/3 左右），还能保证饱和压降具有正温度系数。由于仍然是在区熔单晶硅中（没有外延）制作 FS 层，需进行离子双注入，又要确保饱和压降的正温度系数，工艺难度较大。

图 1.3 沟槽栅＋FS IGBT 结构图

EUPEC 第三代 IGBT 有两种系列。后缀为“KE3”的是低频系列，其最佳开关频率为 1K －

8KHz。1200V IGBT 饱和压降VCE(sat)＝1.7V，最适合于变频器应用。在变频器应用中，北京晶川公司在中国已完成用“KE3”系列代替“DLC”系列的工作。在“KE3”的基础上，采用

浅沟槽和优化“FS”层离子注入浓度、厚度以及集电区掺杂浓度等，又开发出高频系列，以

后缀“KT3”为标志。EUPEC“KT3”系列在饱和压降不增加的情况下，开关频率可提高到

15KHz，最适合于 8KHz－15KHz 的应用场合。在开关频率fK ≥8KHz 应用中，“KT3”比“KE3”开关损耗降低 20％左右。Infineon／EUPEC 600V 系列 IGBT3 后缀为“KE3”，是高

频 IGBT 模块，开关频率可达到 20KHz，饱和压降为 1.50V，最高工作结温可高达 175℃。