电力半导体模块新趋势（二）

　　IGBT智能模块

　　上世纪80年代初，IGBT器件的研制成功以及随后其额定参数的不断提高和改进，为高频、较大功率应用范围的发展起到了重要作用，由于IGBT模块具有电压型驱动，驱动功率小，开关速度高，饱和压降低和可耐高电压和大电流等一系列应用上的优点，表现出很好的综合性能，已成为当前在工业领域应用最广泛的电力半导体器件。其硬开关频率达25KHz，软开关频率可达100KHz.而新研制成的霹雳型（Thunderbolt）型IGBT，其硬开关频率可达150KHz，谐振逆变软开关电路中可达300KHz.

　　目前，IGBT封装形式主要有塑料单管和底板与各主电路相互绝缘的模块形式，大功率IGBT模块亦有平板压接形式。由于模块封闭形式对设计散热器极为方便，因此，各大器件公司广泛采用。

　　另一方面，IGBT模块生产工艺复杂，制造过程中要做十几次精细的光刻套刻，并经相应次数的高温加工，因此要制造大面积即大电流的IGBT单片，其成品率将大大降低。可是，IGBT的MOS特性，使其更易并联，所以模块封装形式更适合于制造大电流IGBT.起初由于IGBT要用高阻外延片技术，电压很难突破，因为要制造这样高压的IGBT，外延厚度就要超过微米，这在技术上很难，且几乎不能实用化。

　　1996年日本多家公司采用<110>晶面的高阻硅单晶制造IGBT器件，硅片厚度超过300微米，使单片机IGBT的耐压超过2.5KV，因此，同年东芝公司推出的1000A/2500V平板压接式IGBT器件就是由24个80A/2500V的芯并联组成。

　　1998年ABB公司采用在阳极侧透明（Transparent）P 发射层和N-层缓冲层结构，使IGBT模块的耐压高达4.5KV，而该公司同年研发成的1200A/3300V的IGBT模块就是由20个IGBT芯片和12个FWD芯片并联制成。此后，非穿通（NPT）和软穿通（SPT）结构IGBT的试制成功，使IGBT器件具有正电阻温度系数，更易于并联，这为高电压、大电流IGBT模块的制造只需并联无需串联创造了技术基础。目前，已能批量生产一单元、二单元、四单元、六单元和七单元的IGBT标准型模块，其最高水平已达1800A/4500V.图2为300A/1700V IGBT模块的电路图，它是由4个160A/1700V IGBT芯片和8个100A/1700V快恢复二极管组成。

　　但是随着模块频率的提高和功率的增大，内部寄生电感较大的一般IGBT模块结构，已不能适应应用的需要。为了降低模块内部的装配寄生电感，使器件在开关时产生的过电压最小，以适应调频大功率IGBT模块封装的需要，ABB公司开发出一种如图3所示的平面式低电感模块（ELIP）的新结构，该结构与一般传统结构的主要区别在于：

　　（1）它采用很多宽而簿的铜片重叠形成发射极端子和集电极端子，安装时与模块铜底板平行，并采用等长平行导线直接从IGBT发射极连到发射极端子上，而集电极端子则连到DBC板空间位置上，从而消除了互感，限制了邻近效应，降低了内部寄生电感量；

　　（2）许多并联的IGBT和FWD芯片都焊在无图形的DBC板上，且IGBT的发射极和FWD的阳极上焊有钼缓冲片，IGBT的栅极与栅极均流电阻铝丝键合相连，这样使芯片间的电流分布和整流电压条件一致，有利于模块芯片能在相同温度下工作，大大提高了模块出力和可靠性；

　　（3）模块采用堆积式设计，把上下绝缘层、上下电极端子以及印制电路板相互叠放，并用粘合胶粘合在一起（粘合时要避免气泡），能很好地随温度循环，无需考虑所谓焊应应力，即所谓的电极“S”形设计。

　　由于MOS结构的IGBT是电压驱动的，因此驱动功率小，并可用IC来实现驱动和控制，进而发展到把IGBT芯片、快速二极管芯片、控制和驱动电路、过压、过流、过热和欠压保护电路、箝位电路以及自诊断电路等封装在同一绝缘外壳内的智能化IGBT模块（IPM），它为电力电子逆变器的高频化、小型化、高可靠性和高性能创造了器件基础，亦使整机设计更简化，整机的设计、开发和制造成本降低，缩短整机产品的上市时间。由于IPM均采用标准化的具有逻辑电平的栅控接口，使IPM能很方便与控制电路板连接。IPM在故障情况下的自保护能力，降低了器件在开发和使用的损坏，大大提高了整机的可靠性。（考试考试网编辑整理）