大功率器件IEGT的前世今生
歷史上東芝在中國因為家電聞名,上世紀八十年代的中國電視上最經(jīng)典的東芝廣告 “Toshiba,Toshiba,新時代的東芝”幾乎家喻戶曉。東芝產(chǎn)品也以高品質(zhì)著稱。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201704/346332.htm具備世界一流品質(zhì)的東芝大功率半導體器件在工業(yè)領(lǐng)域也同樣有著悠久的歷史和良好的口碑,廣泛應用于“發(fā)電—輸配電—用電”的整個能源鏈。
東芝大功率器件
東芝大功率器件有悠久的歷史,從上世紀六十年代開始生產(chǎn)可控硅器件,上世紀八十年代在全球范圍內(nèi)率先實現(xiàn)IGBT器件商業(yè)化,在上世紀九十年代率先商業(yè)化了壓接型的IGBT器件(PPI:Press Pack IGBT),目前已經(jīng)開發(fā)了混合型SiC大功率器件并且得到商業(yè)應用,后續(xù)將推出純SiC大功率器件。
PPI器件得益于東芝領(lǐng)先的技術(shù)和獨特的優(yōu)勢,在日本和歐洲得到了許多客戶的青睞,目前在中國市場也得到越來越多的認可,是大功率器件的重要發(fā)展方向。
IEGT的來源
在上世紀九十年代,東芝率先通過柵極注入增強技術(shù)降低IGBT器件的靜態(tài)損耗,并且以柵極注入增強技術(shù)(Injection Enhanced Gate Transistor)的首字母注冊了東芝專屬的IGBT器件名稱——IEGT,IEGT可以理解為是東芝IGBT的專有名稱。
IEGT和IGCT器件是有著本質(zhì)不同的。前者是電壓型器件、后者是電流型器件。IEGT的電路拓撲上不需要配置陽極電抗器和RDC-snubber電路。
IEGT的兩種封裝形式
PMI (Plastic case Module IEGT)
圖3 PMI(Plastic case Module IEGT)
PMI封裝是業(yè)界IGBT模塊比較常見的形式。
東芝的PMI封裝通過采用鋁碳化硅基板實現(xiàn)更好的散熱效果,采用高CTI(CTI=Comparative Tracking Index 相比漏電起痕指數(shù))的材質(zhì)實現(xiàn)更好的絕緣性。是可以應用于軌道交通牽引這樣的苛刻工況的。
PPI(Press Pack IEGT)
圖4 PPI(Press Pack IEGT)
PPI是東芝率先商業(yè)化的獨特封裝的IGBT器件。隨著中國市場對高可靠性、大功率密度IGBT需求的增長,PPI未來擁有越來越廣闊的市場。
東芝的PPI有如下特點:
1)高可靠性:因為器件雙面散熱并且內(nèi)部芯片通過無引線的方式鍵合,所以功率循環(huán)壽命的表現(xiàn)優(yōu)異;
2)功率密度大:單顆器件目前最大規(guī)格是 4.5KV/3KA,遠超PMI的4.5KV/1.2KA規(guī)格;
3)防爆性能優(yōu)異:由于采用陶瓷外殼,器件的防爆能力遠超塑料外殼的PMI器件;
4)方便壓接使用:采用圓形封裝,便于壓力均勻傳導至器件內(nèi)部每一顆芯片;
5)方便器件串聯(lián):由于器件的上下側(cè)分別是發(fā)射級和集電極,從結(jié)構(gòu)上和紐扣電池一樣方便多顆串聯(lián)。
PPI的結(jié)構(gòu)
圖5 PPI外觀
如圖5所示,PPI器件的上側(cè)是器件發(fā)射極,下側(cè)是器件集電極,側(cè)面的陶瓷管殼上引出柵極端子和輔助發(fā)射極端子連接驅(qū)動板。器件外觀和傳統(tǒng)的晶閘管器件接近。
圖6 PPI剖解
如圖6所示,PPI器件內(nèi)部包含了柵極引線PCB基板、半導體芯片、芯片保護樹脂隔板、鉬金屬片、柵極引腳插針。
圖7 PPI內(nèi)部芯片
圖7展示了PPI內(nèi)部的芯片,左側(cè)是快恢復二極管芯片,右側(cè)是IEGT芯片。IEGT芯片右上角的小正方形區(qū)域是柵極,通過柵極引腳插針連接到柵極引線PCB基板上從而匯聚至側(cè)面陶瓷管殼上的柵極端子。柵極引線PCB基板經(jīng)過特殊設(shè)計以保證各個芯片的一致性。
圖8 PPI內(nèi)部側(cè)視圖
圖8展示了PPI內(nèi)部的側(cè)視圖,可以看出芯片是通過金屬鉬材料連接到發(fā)射極和集電極的銅基板上,并沒有通過焊接引線的方式連接芯片和器件外部電極端子,所以不存在PMI器件在長期熱循環(huán)工作后引線開裂、斷路的失效模式。
IEGT應用場景
基于IEGT優(yōu)異的產(chǎn)品性能,廣泛應用在各種大功率驅(qū)動設(shè)備以及柔性直流輸電場景。
圖9 PMI部分應用示例
圖10 PPI 部分應用示例
基于PPI的高可靠性、高功率密度特性,已經(jīng)成功用于多個柔性直流輸電重點工程:
圖11 PPI用于目前世界最高容量的柔性直流輸電工程(±350kV,1000MW)
PPI的應用支持
由于國內(nèi)部分客戶對PPI器件不熟悉,可以提供壓接及功率單元組件的支持。我們可以展示PPI的應用注意事項、配套耗材(驅(qū)動板、散熱器、結(jié)構(gòu)組件)的推薦供貨渠道以方便客戶快速完成新項目的設(shè)計工作。
圖12 MMC結(jié)構(gòu)PPI組件
圖13 三電平結(jié)構(gòu)PPI組件A
圖14 三電平結(jié)構(gòu)PPI組件B
IEGT近期方向
東芝會繼續(xù)強化在PPI器件上的獨特優(yōu)勢,繼續(xù)開發(fā)更大電流、更大電壓的產(chǎn)品。例如,在4.5kV/3kA器件相同的封裝下實現(xiàn)單顆器件4.5kV/4kA通流能力??蛻艨梢匝赜靡郧暗脑O(shè)計通過采用新一代的PPI實現(xiàn)產(chǎn)品的容量升級;在保持大電流能力的情況下實現(xiàn)單顆器件耐壓的升級??蛻艨梢允褂酶俚钠骷崿F(xiàn)一樣的電壓等級產(chǎn)品。
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