真正的多元供應(yīng)，確保供應(yīng)鏈安全

真正的多元供應(yīng)，確保供應(yīng)鏈安全

Paul Drexhage市場(chǎng)技術(shù)經(jīng)理

近年來(lái)，功率半導(dǎo)體用戶深刻地意識(shí)到不確定的半導(dǎo)體供應(yīng)鏈帶來(lái)挑戰(zhàn)相當(dāng)棘手。因此，在設(shè)計(jì)變頻器時(shí)，"多元采購(gòu) "一直是用戶的需求。賽米控丹佛斯作為最大的獨(dú)立于芯片的功率模塊制造商，在解決這個(gè)問(wèn)題上有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。與我們的長(zhǎng)期合作伙伴羅姆半導(dǎo)體一起，我們?yōu)榈凸β誓K產(chǎn)品增加了一個(gè)完全兼容的1200V IGBT的新來(lái)源。這將進(jìn)一步幫助緩解功率模塊的交付短缺，并確保供應(yīng)鏈的安全。

全球范圍內(nèi)電氣化技術(shù)的進(jìn)步為功率模塊帶來(lái)了前所未有的需求。通常情況下，芯片供應(yīng)限制了功率模塊的產(chǎn)能。盡管芯片制造商不斷提高生產(chǎn)能力，但供應(yīng)情況仍然緊張。正是在這種背景下，羅姆推出了新的1200V RGA IGBT，目標(biāo)是作為工業(yè)應(yīng)用中最新的第7代IGBT器件的替代品。多年來(lái)，羅姆一直是賽米控丹佛斯在碳化硅器件供應(yīng)方面值得信賴的合作伙伴。羅姆正在向賽米控丹佛斯擴(kuò)大他們的硅芯片產(chǎn)品，將自己定位為傳統(tǒng)芯片供應(yīng)商的先進(jìn)替代品。

RGA是一種新設(shè)計(jì)的、輕穿通型（LPT）、溝槽柵IGBT，Tj,max = 175°C。其導(dǎo)通、開關(guān)和熱特性為中低功率范圍內(nèi)的新工業(yè)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。同時(shí)，RGA旨在與現(xiàn)有的IGBT解決方案保持兼容，以實(shí)現(xiàn)多源供應(yīng)。下面的討論通過(guò)比較兩個(gè)相同的模塊的基本器件特性來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。1200V的RGA IGBT已經(jīng)在無(wú)底板的MiniSKiiP封裝中進(jìn)行了測(cè)試。一個(gè)配備了第7代的SKiiP24AC12T7V1（ICnom = 35A）用作參考。在這兩個(gè)測(cè)試模塊中，電路是相同的，并使用賽米控丹佛斯CAL4F續(xù)流二極管。

圖1：輸出特性（芯片級(jí)），歸一化到額定電流

RGA的現(xiàn)代溝槽柵極設(shè)計(jì)和特定的載流子設(shè)計(jì)旨在提供低通態(tài)電壓降。與所有現(xiàn)代的硅IGBT一樣，RGA在較高的電流范圍內(nèi)表現(xiàn)出正溫度系數(shù)（PTC）的正向電壓降。雖然這種PTC特性在RGA中比第7代IGBT更強(qiáng)，但在高溫下產(chǎn)生的稍高的正向電壓降部分被室溫下的低電壓降所彌補(bǔ)（圖1）。結(jié)果是兩個(gè)IGBT在額定電流下的正向電壓降相似，在給定的溫度范圍內(nèi)，RGA器件是7代器件相差±4%。總的來(lái)說(shuō)，像第7代IGBT一樣，RGA表現(xiàn)出比前幾代芯片低得多的正向電壓降。

RGA IGBT的大電流特性與第7代IGBT不同。如圖2所示，RGA IGBT在較高的電流下退飽和，這允許更好地處理在頻繁過(guò)載的應(yīng)用中出現(xiàn)的瞬時(shí)過(guò)電流，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)。即使溫度系數(shù)在150°C時(shí)影響了行為，RGA器件仍然可以處理三倍于額定值的峰值電流。這有可能使模塊具有三倍額定電流的重復(fù)峰值電流，這適用于具有預(yù)期階梯式過(guò)載的應(yīng)用。

對(duì)于短時(shí)的過(guò)載能力，配備RGA IGBT的功率模塊具有同第7代IGBT一樣的高溫開關(guān)能力：可以工作在175℃的結(jié)溫。允許的溫度曲線的細(xì)節(jié)在[1]的2.3節(jié)中給出。對(duì)于連續(xù)運(yùn)行，配備了RGA IGBT的功率模塊遵循與現(xiàn)有器件相同的準(zhǔn)則：從絕對(duì)的最大結(jié)點(diǎn)（即Tj,op=150°C）起25K的余量（在最大的允許結(jié)溫下再預(yù)留25K的余量，即Tj,op=150°C）。

圖2：輸出特性（芯片級(jí)），歸一化到額定電流

柵極特性

第7代IGBT采用了條紋溝槽柵結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)非常小的IGBT單元間距和高導(dǎo)電性（即低電壓降）。然而，這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是，與IGBT4相比，它的柵極電容明顯較高。這種高電容導(dǎo)致開關(guān)時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的高負(fù)載（電流）要求。在RGAIGBT中采用的良好的傳統(tǒng)溝槽柵極結(jié)構(gòu)，比同等的第7代IGBT器件的柵極電荷小18%。同時(shí)，柵極閾值電壓VGE(th)仍然與其他現(xiàn)代IGBT相似（例如6.0V），在寄生開通性和驅(qū)動(dòng)便利性之間提供了一個(gè)很好的平衡。推薦的柵極驅(qū)動(dòng)電壓也與大多數(shù)IGBT器件相同，在VG,on=15V和VG,off=-8V時(shí)進(jìn)行了測(cè)試。

動(dòng)態(tài)特性測(cè)試

新一代的IGBT傾向于更高的dv/dt水平（例如，超過(guò)7kV/μs），因?yàn)檫@樣可以通過(guò)提高開關(guān)速度來(lái)減少開關(guān)損耗。RGA也不例外，正像第7代IGBT，可以通過(guò)改變柵極電阻來(lái)控制開通時(shí)的dv/dt和di/dt。即使是在較高的電流下，也可以實(shí)現(xiàn)適合于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的di/dt（<5kV/μs）水平。一般來(lái)說(shuō)，RGA需要較高的RGon來(lái)實(shí)現(xiàn)與第7代器件類似的dv/dt和di/dt值（圖3）。

圖3: 不同RGon的開通dv/dt和di/dt特性

圖4:相同RGon的開通特性

在相同的工況和相同的柵極電阻（RGon=8.2Ω，圖4）下比較RGA和第7代IGBT開通過(guò)程時(shí)，能明顯地發(fā)現(xiàn)RGA有更快的開關(guān)速度和需要更大的柵極電阻。在圖4中，RGA器件上的峰值電流比第7代IGBT高約22%。但是，高的di/dt，加上VCE電壓的快速下降，意味著電流-電壓積分和由此產(chǎn)生的開關(guān)損耗更低。如果可以接受更高的dv/dt，例如在高速伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，當(dāng)使用RGA IGBT時(shí)，其回報(bào)是開通損耗減少25%。

相反，如果需要類似于第7代IGBT的開關(guān)速度，那么將開通的柵極電阻增加一倍就可以了。圖5表明，把柵極電阻增加到RGon=16Ω，其平滑的電壓和電流的波形會(huì)幾乎與第7代IGBT重疊。較慢的開關(guān)速度增加了損耗，但在這個(gè)例子中，RGA和參考的第7代器件的開通損耗幾乎是相同的。

圖5:不同RGon的開通特性

與大多數(shù)現(xiàn)代溝槽柵IGBT的設(shè)計(jì)一樣，關(guān)斷柵極電阻的小范圍變化對(duì)第7代IGBT影響較小。這對(duì)RGA IGBT來(lái)說(shuō)也是如此，在大概20Ω的范圍內(nèi)調(diào)整柵極電阻，對(duì)di/dt、dv/dt和關(guān)斷損耗的影響很小。使用相同的8.2Ω柵極電阻來(lái)關(guān)斷RGA IGBT，盡管它上升時(shí)間很快，但與第7代IGBT的并排比較表現(xiàn)出幾乎相同的電壓過(guò)沖（圖6）。RGA IGBT表現(xiàn)出一個(gè)軟的，但長(zhǎng)的拖尾電流，這增加了電壓-電流積分。然而，更高的dv/dt部分補(bǔ)償了這種影響。最終的結(jié)果是，RGA的關(guān)斷損耗只比參考的第7代器件高5%。

圖6:相同RGon的關(guān)斷特性

應(yīng)用對(duì)比

導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗和散熱性能的最終效應(yīng)最好通過(guò)計(jì)算給定應(yīng)用條件下的結(jié)溫來(lái)表示。以下采用一個(gè)三相，兩電平電壓源逆變電路與三相全橋 MiniSKiiP模塊，應(yīng)用參數(shù)如表1所示。選擇兩個(gè)額定電流為35A的模塊進(jìn)行比較。這種規(guī)格的模塊適用于5.5-11kW范圍內(nèi)的工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，具體取決于所考慮的過(guò)載情況。

表1: 仿真工況參數(shù)

我們使用賽米控丹佛斯成熟的第五代仿真工具SemiSel進(jìn)行仿真比較。在一個(gè)MiniSKiiP模塊上涂抹高性能導(dǎo)熱膏(HPTP)，并安裝到強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器上，假設(shè)環(huán)境溫度為45°C。逆變電路如表1所示參數(shù)下工作，并計(jì)算結(jié)溫?；谇懊娴挠懻摚瑸榱巳〉门c第7代IGBT相似的dv/dt， RGA IGBT選擇了更高的柵極開通電阻。選擇一個(gè)電流，使得結(jié)溫在最高的開關(guān)頻率為125°C。由于功率循環(huán)的壽命問(wèn)題，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中認(rèn)為該溫度是衡量模塊連續(xù)輸出能力的典型限制。仿真所得到的結(jié)溫和效率與頻率的關(guān)系如圖7所示。

圖7: 仿真的結(jié)溫和效率

在相同的工作條件下，計(jì)算出的RGAIGBT結(jié)溫平均比第7代IGBT低6K（圖7的實(shí)線）。這主要是由于優(yōu)化了RGA IGBT的芯片尺寸，導(dǎo)致從芯片到散熱器的熱阻降低14%。較低的結(jié)溫可以降低功率模塊的熱機(jī)械應(yīng)力，并可以增加功率循環(huán)的壽命。例如采用RGAIGBT達(dá)到了與第7代IGBT的相同結(jié)溫，則可以降低對(duì)散熱的要求。例如，降低散熱器成本或降低風(fēng)扇速度。

因?yàn)榈烷_關(guān)頻率下，導(dǎo)通損耗占據(jù)主要部分，所以RGA在高溫下較高的正向壓降影響了效率。相反，由于RGA的開通損耗較小，這使其在較高的開關(guān)頻率上具有效率優(yōu)勢(shì)。然而，在給定的應(yīng)用實(shí)例中，兩種芯片的模塊效率在1...10kHz范圍內(nèi)基本相同（圖7中的虛線）。

另外，我們有望利用RGA優(yōu)越的熱性能，在相同的封裝中獲得更大的輸出電流。另一個(gè)熱仿真表明，在1...10kHz范圍內(nèi)，RGAIGBT能夠比第7代IGBT的輸出電流高2...9%，代價(jià)是效率略有下降。

短路特性

芯片尺寸變小的總體趨勢(shì)降低了現(xiàn)代IGBT芯片的散熱性能，所以跟以往的IGBT芯片相比，其短路能力也有所下降。在目前的單脈沖短路測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中，1200V RGA IGBT在800VDC，150°C的短路時(shí)間tpsc為8μs，這跟第7代IGBT是一樣的。RGAIGBT的高di/dt意味著它在短路時(shí)也會(huì)達(dá)到高的峰值電流，超過(guò)ICnom的5倍。盡管如此，關(guān)斷特性仍然是可控的，沒有任何高頻振蕩。

耐濕度的魯棒性

隨著功率變換器的新應(yīng)用擴(kuò)展到全球各地，更多的功率半導(dǎo)體器件可能會(huì)受到高濕度環(huán)境的影響?；谄骷Ｊ降睦斫?，這一點(diǎn)推動(dòng)了功率半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)行更嚴(yán)苛的可靠性測(cè)試。特別是，高電壓、高濕度、高溫反向偏壓（HV-H3TRB）測(cè)試已經(jīng)成為衡量長(zhǎng)期耐濕魯棒性的標(biāo)準(zhǔn)。該測(cè)試通過(guò)在85°C環(huán)境溫度和85%相對(duì)濕度的測(cè)試室中施加80%的額定阻斷電壓（例如960VDC），對(duì)IGBT芯片的邊緣施加壓力。器件的評(píng)估是在不超過(guò)給定阻斷電壓的漏電流限制下，它們能承受多少個(gè)小時(shí)（如168/504/1000小時(shí)）。賽米控丹佛斯的測(cè)試表明，RGA IGBT可以滿足1000小時(shí)的最低要求，這使它與第7代IGBT處于同一級(jí)別。

應(yīng)用

賽米控丹佛斯可以提供1200V RGA IGBT，其額定電流等級(jí)從10A到150A?？紤]到RGA芯片對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的適用性，這個(gè)范圍意味著MiniSKiiP系列是模塊應(yīng)用上的理想選擇。無(wú)底板、彈簧壓接的MiniSKiiP已經(jīng)廣泛應(yīng)用于全球電機(jī)驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)，并始終配備最新一代的IGBT芯片。因此，對(duì)該產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，有一個(gè)替代的IGBT芯片來(lái)源以使供應(yīng)鏈多元化是很重要的。我們提供統(tǒng)一高度的MiniSKiiP封裝系列（圖8），在市場(chǎng)上也有多源封裝，使其成為制造商不錯(cuò)的選擇。首批配備RGA的MiniSKiiPs將采用三相全橋（"AC"）和整流-剎車-逆變（"NAB"）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，允許對(duì)配備第七代IGBT的模塊進(jìn)行引腳兼容的替換?？梢蕴峁㎝iniSKiiP預(yù)涂高性能導(dǎo)熱硅脂（HPTP）仿真比較中使用的就是這種相同的導(dǎo)熱硅脂。

圖8: 裝配RGA的 MiniSKiiP1/2/3

對(duì)于壓接/焊接的版本，我們提供的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝SEMITOP E也配備了RGA，并與現(xiàn)有的第7代IGBT模塊引腳兼容。這個(gè)封裝系列（圖9）也將提供三相全橋（"GD"）和整流-剎車-逆變（"DGDL"）拓?fù)?。SEMITOP E封裝與其他工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品完全兼容，同時(shí)它還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，那就是集成安裝片而不是金屬夾。這增加了安裝壓力，從而降低了熱阻。卓越的增強(qiáng)型壓接針具有內(nèi)部應(yīng)力消除功能，以提高機(jī)械安裝的堅(jiān)固性。

圖9: 裝配RGA的SEMITOP E1/E2

SEMITOP E可提供預(yù)涂HPTP或賽米控丹佛斯獨(dú)家新的高性能相變材料（HP-PCM），以便在組裝時(shí)易于處理。1200V RGA IGBT在功率模塊型號(hào)中將以"12RA"命名：例如，額定電流為35A的MiniSKiiP CIB模塊將被命名為SKiiP 24NAB12RAV1。

總結(jié)

電力電子行業(yè)供應(yīng)狀態(tài)在逐漸恢復(fù)到正常水平，并從近幾年的供應(yīng)問(wèn)題中學(xué)習(xí)改進(jìn)。很明顯，要供應(yīng)真正的"多源"的功率模塊，半導(dǎo)體芯片和模塊供應(yīng)都需要多元化。對(duì)于在低功率范圍內(nèi)使用的1200V第7代IGBT，現(xiàn)在可以從一個(gè)靠譜的制造商那里獲得可靠的替代品來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。羅姆的1200VRGA IGBT是第7代IGBT的完美替代品，采用小柵極電阻，可以得到跟第7代IGBT非常相似的性能。導(dǎo)通損耗的微小差異完全被改進(jìn)的散熱性能所彌補(bǔ)。這使得1200VRGA IGBT在應(yīng)用中的性能與相同規(guī)格模塊封裝中的最新的7代IGBT完全相當(dāng)。1200VROHM RGA IGBT具有濕度、短路和溫度穩(wěn)定性，當(dāng)它封裝在賽米控丹佛斯功率模塊中時(shí)，它是一個(gè)非常可靠的選擇。

賽米控—丹佛斯簡(jiǎn)介

賽米控丹佛斯致力于打造電力電子領(lǐng)域的全球技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。我們的產(chǎn)品包括半導(dǎo)體器件、功率模塊、模組和系統(tǒng)。

當(dāng)今世界正處在電氣化的大趨勢(shì)中，賽米控丹佛斯的技術(shù)比以往任何時(shí)候都更加重要。我們致力于為汽車、工業(yè)和可再生能源應(yīng)用領(lǐng)域提供創(chuàng)新性解決方案，幫助世界更高效、更可持續(xù)地使用能源，顯著降低碳排放，以應(yīng)對(duì)氣候變化。

我們積極投資于創(chuàng)新、技術(shù)、產(chǎn)能和服務(wù)。在服務(wù)客戶、為其提供行業(yè)最佳性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)員工的發(fā)展，攜手打造可持續(xù)的未來(lái)。

審核編輯：湯梓紅