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(多图) 半导体技术的新挑战 封装与系统设置

Gerhard Miller 英飞凌科技?? 2012年02月29日 ?? 收藏0

5.硅半导体以及未来的碳化硅和氮化镓半导体的开关速度将越来越快

新一代硅器件,不论其电压等级如何,都日益要求低阻抗的模块和系统设置。当然,在仍需要较高电流的情况下,电压越低,越需要降低模块和系统设置的阻抗。特别地,对于直流连接电压高达450 V,最高电流在600安培左右的全混合电动汽车和纯电动汽车的逆变器设置,更是这种情况。在这种应用中,如果未能将模块和系统设置精心设计到杂散电感低于25 nH,很快就会达到600 V器件的阻断电压(600A开关电流保持达100ns,仍会导致150V峰值!)。

同样地,解决办法是使用阻断电压较高的器件和/或开关速度较慢的器件,但是,这些方法都会增加静态和动态损耗。

使用碳化硅二极管来代替双极二极管,可以显著降低导通损耗和电压过冲。反向恢复电荷被减至仅剩二极管耗尽层中的极低容性电荷。其结果是降低开通损耗(IGBT和二极管),如图12所示。图中以总杂散电感为100 nH 的1200V/150A器件(对应于上文提到的电流为600 A左右时的25 nH杂散电感)为基础,模拟了当今的标准器件组合IGBT +双极二极管(左侧组,蓝色柱)与IGBT +碳化硅二极管对(左侧组,紫色柱)的开关损耗(Eon+Eoff)。由于碳化硅二极管中没有反向恢复电荷,仅降低了开通损耗,使得总损耗降低了20%(另请参阅[8])。

图12:1200V / 150A IGBT(相同Vcesat)模拟总开关损耗比较
图12:1200V / 150A IGBT(相同Vcesat)模拟总开关损耗比较

多种不同的杂散电感条件下,标准IGBT与硅PN二极管(左侧组,蓝色柱)、标准IGBT与碳化硅二极管(左侧组,紫色柱)和未来的高速开关IGBT与碳化硅二极管(左侧组,浅黄色柱)

在这样的配置中,IGBT可以得以优化,实现高速开关(仍在恒定Vcesat条件下)开通和关断。假设器件(左侧组,浅黄色柱)便是这种情况,其总损耗仅比标准器件降低40%。此外,通过降低杂散电感,以及额外实现垂直器件优化(OVS)以减少储存电荷(仍在相同Vcesat条件下),可以进一步将损耗再降低40%。

由于电流为150A时,杂散电感仅为50 nH(对应于电流为1000 A时杂散电感为7.5 nH),因此最高直流连接电压为800V的应用,不再需要使用1200V阻断电压器件。如果该器件的额定阻断电压仅为1000V,那么,损耗还可再降低40%。最终,总共可将开关损耗降低7倍以上!

图13:图12中的模拟IGBT二极管组合的关断波形,表明优化器件以实现具备极低杂散电感的高速开关的潜力
图13:图12中的模拟IGBT二极管组合的关断波形,表明优化器件以实现具备极低杂散电感的高速开关的潜力

要让像JFET或MOSFET这样的碳化硅有源器件,或未来的氮化镓器件充分发挥其潜力,必须实现所有这些优化措施——当然,必须始终遵循关系(2)!

6.展望

正如已在第3节和第5节中讨论的,诸如碳化硅和氮化镓等新型半导体材料的潜力是,一方面可以实现高速开关,另一方面可以实现极低的Ron*A,而没有像IGBT和双极性二极管那样的阈值。其次,另一个优点是可以支持更高温度,不过这一点并不实用,因为目前的封装技术尚不足以充分利用硅材料可支持的200°C温度,甚或碳化硅或氮化镓可支持的更高温度!因此,要说新材料的优势在于温度方面,其实很牵强。

要充分发挥新材料所具备的更好电气特征,绝对有必要开发出具备更出色的散热和电子性能的封装技术,以实现极低杂散电感,并将温度摆动更大条件下的负载循环能力提高10到20倍。未来的硅器件也需要走同样的优化道路。

依照关系(2),在碳化硅JFET器件中集成二极管,以实现与碳化硅肖特基二极管相当的性能,大有裨益。这有助于快速将碳化硅器件用于较早体现出关系(2)的应用,也就是说,可以在尺寸较小的模块中实现较高可用电流密度,从而提高特殊应用的功率输出。

本文采用了英飞凌科技工业与多元化市场(IMM)业务部开展的多项测试和模拟的数据。特别地,我与F. Pfirsch和T. Raker就他们开展的模拟,以及与R. Bayerer就封装和封装技术的未来前景展开的讨论,给了我很多启发,在此谨向他们表示诚挚的谢意!

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功率半导体? IGBT? MOSFET?

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