摘要:本文闡述一種被稱作雙模式絕緣柵晶體管（Bimode Insulated Gate Transistor，縮寫為BIGT）的所采用的逆導IGBT概念在實用化方面的進展。介紹了一種采用BIGT技術制造的額定電流超過2000A的3300V HiPak模塊，給出了靜態、動態特性的測試結果以及相關參數，這反映出采用新技術后器件的基本性能將要達到的水平。本文還涉及器件的安全工作區、軟度、可靠性等其他方面的性能，測試時的結溫最高達到150℃。此外，首次給出了在硬開關頻率條件下的BIGT的性能。
1引言
從傳統意義上說，制造一個帶有內集成二極管的逆導（RC）晶體管的目標是，通過去掉一個分立的反并聯二極管，來實現在給定的封裝管腳尺寸內獲得更大的功率。近年來這一方案已經在中電壓（600V-1200V）IGBT中實現，并且主要用于小電流和/或軟開關領域[1][2][3]。最近也有3300V RC-IGBT的相關報道[4][5]，這表明這一技術在高壓領域也是可行的。所制造的新器件稱為雙模式絕緣柵晶體管（BIGT）。
BIGT是一種先進的逆導IGBT器件概念，主要目標是提高高壓IGBT的功率密度以適應下一代電力電子系統的需要。新器件可以工作在續流二極管模式和（IGBT）晶體管模式，并且在這兩種模式下導電區域是相同的。所以使用BIGT技術的目標是徹底實現用BIGT單芯片來替代現有的IGBT/二極管雙芯片，并且提高整體性能，尤其是在硬開關條件下能呈現出功耗低、開關軟度大和安全工作區寬的特性。
通過采用先進的短路集電極背面版圖設計、優化的摻雜分布和受控的壽命削減，使器件在IGBT和二極管兩種模式下都能夠實現最佳性能，因而BIGT研發在器件性能方面取得了顯著的突破。本文報道了封裝在兩種HiPak模塊中的3.3kV BIGT的最新電學測試結果（測試中最高結溫為150℃）。此外，本文還將首次介紹在硬開關條件下BIGT模塊的頻率測試結果。同時，還給出150℃下的高溫反偏試驗等芯片級可靠性試驗結果。
2 BIGT概念
BIGT是一個混合結構，它將一個IGBT和一個RC-IGBT集成在一個芯片內，如圖1所示。
圖1 BIGT截面圖
這種集成的主要目標是消除低溫時晶體管導通模式下的折回現象，這是通過確保BIGT中IGBT區的P+集電區在低壓和小電流時發生空穴注入來實現的。當帶有穿通型緩沖層設計的薄片結構做成標準的RC-IGBT時發生折回現象更明顯，對這類器件而言，BIGT概念的優化作用更顯著。
BIGT的背面版圖設計和IGBT區的尺寸確定是經過優化的，以便能夠使芯片全面導通時有一個光滑的過渡（RC-IGBT區在大電流下也有空穴注入），使RC-IGBT區（也是二極管導通區）最大化，使電流非均勻性最小化（尤其是在開關過程中由集成結構造成的電流不均勻）。另外，IGBT區的引入可以使RC-IGBT區的版圖優化只針對增大二極管導通面積獨立進行，并且可以使BIGT在晶體管導通時充分利用整個芯片面積，從而與當前最先進的IGBT芯片一樣具有相同的技術曲線。與標準RC-IGBT設計相比，BIGT概念可以在上述參數間形成更好的折衷。另一方面，為了降低動態和開關損耗，BIGT優化遇到的主要挑戰是：在實現二極管模式下低恢復損耗的同時，對晶體管模式下通態損耗沒有顯著影響。這一目標通過以下三個步驟實現。
第一步是對發射極P阱元胞和集電極P+/N+區摻雜的精細控制。如圖1所示，增強的平面型(EP)元胞技術[6]不包括高摻雜P+阱區域，而且N增強層還產生補償效應。這兩個特征使我們有機會利用精細的P阱摻雜分布獲得低注入效率以實現更好的二極管性能，與此同時還能保持EP設計下IGBT的典型低功耗。第二步優化是采用局域P阱壽命（LpL）控制技術(參見圖1 頂部)。該技術利用精確控制的粒子注入進一步減小二極管反向恢復壽命，同時又不使晶體管損耗和阻斷特性變差。第三步是采用質子輻照實現均勻的局域壽命控制以進一步降低反向恢復功耗。
3 3.3kV BIGT
BIGT技術主要針對高壓器件開發。本文報告的是一個3300V/62.5A BIGT芯片，其有源區面積為1cm2。利用該芯片制造的大電流3.3kV HiPak1 （140×130）mm和HiPak2（140×190）mm BIGT模塊與當前最先進的IGBT模塊在相近條件下進行了對比測試，如圖2所示。
圖2 3300V BIGT 模塊測試電路
圖3對比了一個常規的IGBT/二極管基底和一個新型的BIGT基底，前者包含4個IGBT芯片和2個二極管芯片，后者包含6個BIGT芯片。通過以下事實可以清楚看出BIGT的優勢：包含有4個BIGT基底（共24個BIGT芯片）的HiPak1模塊在實際應用中可以替代一個體積更大的1500A HiPak2 SPT+ IGBT模塊，后者通常包括6個基底（共24個IGBT芯片和12個二極管芯片）。體積更大的常規IGBT模塊還有一個更糟糕的缺點就是其二極管面積偏小，這對工作于整流模式和抗浪涌電流能力來說都是一個限制因素。另一方面，體積更大的HiPak2 BIGT模塊包含了一共36個BIGT芯片，其額定電流可高達2250A。
圖3 3300V HiPak1基底，左為BIGT基底，右為IGBT/二極管基底
4電學性能
在標稱條件下和SOA條件下對3.3kV HiPak BIGT模塊進行了電學特性測試，包括靜態和動態兩種特性。對于動態特性其直流鏈路電壓標稱值為1800V，而在SOA測試中，該電壓值升至2400V。在所有動態測試中RGon和RGoff分別固定為1.0Ω和1.5Ω，并且在柵-發射極之間并聯了一個220nF的電容Cge。測試結果如下。
4.1靜態特性
BIGT的IGBT模式和二極管模式下的通態特性見圖4，包含25℃和125℃兩個測試溫度。這是對標稱375A的一個BIGT基底進行測試得到的結果。在IGBT模式和二極管模式下，當電流達到標稱375A時，其125℃下通態壓降都為3.5kV。兩種模式即使在很小電流下其曲線均呈現出強烈的正溫度系數特性，這歸因于BIGT結構中優化的發射極注入效率和壽命控制。正溫度系數有利于芯片的安全并聯。
圖4 3300V BIGT基底通態特性
4.2標稱條件下的開關特性
圖5和圖6分別給出了3.3kV HiPak1 BIGT模塊和HiPak2 SPT+ IGBT模塊的關斷和開通波形，測試條件為標稱條件：VDC=1800V，IC=1500A ,Tj=125°C。同時也給出了模塊的開關損耗。觀察這些波形可以將BIGT模塊在IGBT模式下和二極管模式下的開關行為與當前最先進的IGBT模塊進行對比。關于標稱條件下反向恢復特性的類似比較在圖7中給出，其中di/dt均超過了6kA/us。
圖5 3300V BIGT HiPak1（上：Eoff=2.8J）和SPT+ IGBT HiPak2（下：Eoff=2.7J）在標稱條件下的關斷波形
圖6 3300V BIGT HiPak1（上：Eon=2.2J）和SPT+ IGBT HiPak2（下：Eon=1.9J）在標稱條件下的開通波形
圖7 3300V BIGT HiPak1（上：Erec=2.3J）和SPT+IGBT HiPak2（下：Erec=2.2J）在標稱條件下的反向恢復波形
4.3軟度特性
新BIGT技術在IBGT模式和二極管模式下都天然地具有極軟的開關行為[5]。在兩種模式下關斷拖尾階段，優化的集電極P+摻雜可以使通往N+區的電子產生一個橫跨PN結的電勢，從而強加一個向基區的受控的電荷抽取或空穴注入。圖8給出了HiPak1 BIGT模塊和SPT+ HiPak2 IGBT模塊在IC=500A，VDC=2400V，Tj=125℃關斷軟度。相應的反向恢復軟度特性在圖9中給出，其中測試電流是很小的50A，VDC =2400V，Tj=125℃。
圖8 3300V BIGT HiPak1 （上）和SPT+IGBT HiPak2（下）的關斷軟度
圖9 3300V BIGT HiPak1 （上）和SPT+IGBT HiPak2（下）的反向恢復軟度
這一特征對于BIGT技術的實用化具有特別重要的意義，因為如果針對BIGT二極管工作模式的設計是非優化的，其軟度預計會下降，且二極管的面積也會增加。
4.4 SOA特性
下面將給出Tj=150℃下的SOA開關性能，以體現BIGT模塊的穩固性。圖10 給出了電流3000A，VDC=2400V下的關斷波形。相同條件下的反向恢復波形由圖11給出。
圖10 150℃下3300V BIGT HiPak1 SOA關斷波形。峰值功率=7.9MW
圖11 150℃下3300V BIGT HiPak1 SOA反向恢復波形。峰值功率=3.5MW
BIGT HiPak1 模塊在150℃、VDC=2400V下的短路特性由圖12給出。BIGT顯示出了堅固的短路特性，在上述條件下的平均短路電流為6500A。
圖12 150℃下3300V BIGT HiPak1短路波形
4.5 3.3kV/2250A HiPak2 BIGT
本節我們將給出3.3kV HiPak2 BIGT模塊的開關測試結果，這一模塊的電流額定值預計可達2250A。所有測試在150℃下進行。標稱條件下的關斷和反向恢復波形在圖13和圖14 中分別給出。相應的SOA關斷波形見圖15，測試條件為電流4500A，VDC=2400V，溫度150℃。另一方面，SOA反向恢復波形在圖16中給出，該波形在3000A電流下形成最大峰值功耗。
圖13 150℃下3300V BIGT HiPak2標稱條件下關斷波形。Eoff=4.5J
圖14 150℃下3300V BIGT HiPak2 標稱條件下反向恢復波形。Eoff =3.2J
圖15 150C下3300V BIGT HiPak2 SOA關斷波形。峰值功率=12MW
圖16 150C下3300V BIGT HiPak2 SOA反向恢復波形。峰值功率=4.2MW
5頻率及可靠性測試
利用圖17 所示的H橋測試電路首次對3.3kV HiPak1 BIGT模塊進行了PWM頻率測試。在約30分鐘的測試時間內最高結溫為120℃，測試采用了三種工作頻率：500Hz，1000Hz，1500Hz。如圖18所示，測試直流鏈路電壓為2100V，峰值電流可達800A。
圖17 DC-AC 變換H-橋電路結構圖
圖18 BIGT模塊頻率測試中的PWM電壓-電流波形圖
頻率測試的這些結果首次展示出在硬開關條件下單個芯片在IGBT和續流二極管兩種模式下工作的可行性[7]。
此外還進行了BIGT芯片的可靠性試驗。BIGT成功的通過了高溫反偏（HTRB）應力試驗，反偏電壓為2640V，在125℃下持續168小時，接著在150℃下進行第二個168小時。另外，還通過了測試條件為Vge=25V、溫度150℃、持續168小時的高溫柵偏（HTGB）試驗，以及測試條件為Vge=25V、Vce=80V，持續168小時、濕度85%的加濕（HAST）試驗。
6結論
BIGT技術的實用化為未來要求有緊湊的系統、更高的功率等級的高壓應用提供了一個潛在的解決方案，而常規的雙芯片的方案被證明不能滿足這種高壓應用需求。本文報道了最新的額定電流超過2000A的3300V BIGT HiPak模塊的測試結果，展望了新技術的潛力和基本性能水平，隨著BIGT進入到產品開發階段，這一潛力和性能水平有望得以實現。
參考文獻
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