作者：Taketo Nishiyama和Yuji Miyazaki，三菱電機公司

第1階段開發的NX系列IGBT模塊的封裝具有很高的靈活性，另外，減小IGBT模塊的功耗是客戶期望降低整個系統成本，降低EMI噪聲輻射，以及延長壽命的關鍵。先進的CSTBTTM硅片技術為NX系列IGBT模塊第2階段開發提供了很好的解決方案。

NX系列IGBT模塊

通常，IGBT模塊被設計成各種尺寸以滿足合適的空間和好的性價比，而且IGBT模塊包含了外殼、底板、端子、絕緣部分，以及功率硅片等許多封裝部件。NX系列采用統一的封裝部件和通用的封裝工藝實現了容量范圍大且能提供各種電路拓撲結構的模塊。除了1單元、2單元、7單元和CIB中整流-逆變器-制動器結構外，還可以按照客戶的要求定制模塊。各種封裝類型可將各種電路靈活地封裝到母板上并能靈活設計端子結構。

圖1：NX系列封裝（a）（c）7單元，（b）（d）2單元例子

硅片技術

IGBT硅片工藝

圖2所示為優值系數（FOM），表示IGBT性能的過渡。在Tj=125℃時，FOM＝Jc/（VCE（SAT）E_off），其中Jc為芯片電流密度，V_CE（SAT）為飽和電壓，E_off為關斷損耗。Mitsubishi第6代IGBT的FOM高于第5代30%。

圖2：IGBT的FOM

第6代IGBT

第6代IGBT硅片是基于CSTBT^TM技術研發的。圖1示出它和第5代IGBT硅片的剖面圖。兩代硅片都有載流子存儲層。第6代IGBT硅片用薄晶片工藝技術將非穿通結構改為輕穿通結構，且通過元胞的優化設計可改善V_CE（SAT）-E_sw（off）的平衡關系。

圖3：IGBT的橫截面

采用精細圖案工藝縮短元胞單元的間距并優化載流子存儲層的摻雜濃度。從而加強了載流子存儲層存儲載流子的效果。V_CE（SAT）-E_sw（off）折衷關系得到顯著改善，如圖4所示。

圖4：Tj=125℃時，V_CE（SAT）和E_sw（off）的關系

圖5：SCSOA波形

新設計的續流二極管

較新設計的續流二極管簡稱（FWDi），以前的續流二極管的結構如圖6所示。如圖7所示薄晶片工藝技術改善了正向壓降VF和反向恢復功耗Esw（rec）的平衡關系。

圖6：FWDi的橫截面

圖7：Tj=125℃的VF和Esw（rec）的關系

導通特性

降低導通波形的dv/dt能夠很好地抑制設備產生的EMI。通常采用控制外接柵極驅動速度來降低開關導通時的dv/dt。然而，降低dv/dt會增加IGBT硅片的導通損耗。圖8示出E_sw（on）和dv/dt的關系。開關速度可以由改變柵極電阻來調節。假定客戶應用時的dv/dt=7.5kV/µs，則在此條件下第6代IGBT的E_sw（on）比原有的IGBT低20%。

圖8：Tj=125℃時E_sw（on）和dv/dt的關系

關斷特性

在開關關斷的時候，N層中有很多電子空穴和自由電子。因此，集電極電流不可能被迅速阻斷，而是逐漸減小。集電極電流衰減的時間取決于電子的壽命。另外，第6代IGBT由于采用優化的LPT結構，從而改善了拖尾電流。其關斷拖尾電流比第5代的小，因此硅片的關斷損耗比第5代的更低。

圖9：Tj=125℃時的關斷波形

功率損耗性能

在模塊的額定電壓電流值為1.2kV/150A，30kW滿載，400VAC條件下，對通用PWM變頻器驅動中應用的第5代和第6代IGBT模塊的功率損耗進行了仿真，柵極電阻值的選取要保證每個器件開通波形的dv/dt為相同值（7.5kV/μs）。IGBT/FWD硅片的總的功率損耗包含開關損耗和靜態損耗。仿真結果表明，第6代IGBT模塊的功率損耗比第5代的低約20%。

熱仿真

在NX系列2單元模塊的額定電壓電流值為1.2kV/1kA，輸入電壓為400V，185kW變頻器滿載運行條件下，對NX系列IGBT模塊進行熱仿真。仿真得出，第6代IGBT的Tj比第5代的平均低25℃。新的續流二極管的Tj比原有的平均低21℃。

結論

NX系列IGBT模塊采用較新開發的第6代IGBT和新設計的續流二極管，使功率損耗和發熱比以前的產品更低，而且可以提高客戶應用系統的效率。另外，第6代NX系列IGBT模塊靈活的封裝和優越的性能可很好地拓展客戶的應用范圍。第6代NX系列IGBT模塊對于電力電子系統的發展具有很大的潛能。

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