ООО ЭФО
Поиск по складу
Программа поставок 2016
Сегодня
www.powel.ru
источники питания
www.korpusa.ru
конструктивы и корпуса РЭА
www.wless.ru
беспроводные технологии
www.mymcu.ru
микроконтроллеры
altera-plis.ru
микросхемы Altera
www.infiber.ru
волоконно-оптические
компоненты в
промышленности
www.efo-power.ru
силовая электроника
www.efo-electro.ru
электротехническая
продукция
www.efometry.ru
контрольно-измерительные приборы
www.golledge.ru
кварцевые резонаторы и генераторы Golledge
www.sound-power.ru
профессиональные усилители класса D
Поиск по сайту
Подписка на новости

Система менеджмента
качества сертифицирована на соответствие требованиям:
ISO 9001, ГОСТ Р ИСО 9001 и СРПП ВТ - подтверждено сертификатами соответствия в системах сертификации Русского Регистра, ГОСТ Р, международной сети IQNet, "Оборонсертифика" и "Военный Регистр".

ООО "ЭФО" в 2011г. получило Лицензию Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору на изготовление оборудования для ядерных установок.


Rambler s Top100



ChipFind - поисковая система по электронным компонентам
EEN
webmaster
Санкт-Петербург: (812) 327-86-54  zav@efo.ru Москва: (495) 933-07-43  moscow@efo.ru Екатеринбург: (343) 278-71-36  ural@efo.ru Пермь: (342) 220-19-44  perm@efo.ru
Казань: (843) 518-79-20  kazan@efo.ru Ростов-на-Дону: (863) 220-36-79  rostov@efo.ru Н. Новгород: (831) 434-17-84  nnov@efo.ru Новосибирск: (383) 286-84-96  nsib@efo.ru
о нас склад библиотека статьи
 
 

Работа IGBT-транзисторов типа Trench/Field-Stop в условиях действия повторяющегося тока короткого замыкания

В фокусе данной статьи - стойкость к токам короткого замыкания модулей eupec, выполненных на основе кристаллов IGBT-транзисторов 3 поколения на напряжение 1200В компании Infineon. Описаны виды повреждений, связанных с действием тока короткого замыкания, и приведены меры по оптимизации структуры кристалла и обеспечению его надежности. По результатам измерений параметров транзисторов Trench/Field-Stop IGBT 3 в условиях действия повторяющихся импульсов тока короткого замыкания установлено, что типичное количество импульсов тока короткого замыкания, предшествующих повреждению кристалла, связаны экспоненциальной зависимостью с максимальной температурой, которую он достигает в процессе действия импульса.

Введение

Рисунок 1. Тенденции уменьшения размеров кристалла IGBT-транзистора на 75A/1200В (а) и снижения толщины кристалла IGBT-транзисторов типов Non Punch Through (NPT) и Field-Stop (FS) (б)
Рисунок 1. Тенденции уменьшения размеров кристалла IGBT-транзистора на 75A/1200В (а) и снижения толщины кристалла IGBT-транзисторов типов Non Punch Through (NPT) и Field-Stop (FS) (б)

Типовое требование к IGBT модулям инверторов силовых приводов - стойкость к действию тока короткого замыкания. В числе прочего, это объясняет, почему робастная IGBT-технология "Non Punch Through", в основе которой лежит однородный (монокристаллический) полупроводниковый материал, доминирует над исходной концепцией "Punch Through", основанной на эпитаксиальной технологии. За последние два года можно было наблюдать тенденцию к освоению новой вертикальной структуры "Field Stop" IGBT, которая также известна под названиями "Soft Punch Through" и "Light Punch Through".

По экономическим соображениям геометрические размеры кристаллов каждого последующего поколения полупроводниковых приборов уменьшаются. Рисунок 1 демонстрирует уменьшение размеров и толщины кристалла IGBT-транзистора за последние 15 лет. Применительно к 4 поколению IGBT-транзисторов дальнейшее снижение размеров кристалла можно ожидать на уровне, представленном на рисунке 1а. Следствием снижения размеров кристалла является рост плотности тока, причем не только в номинальных условиях, а и при действии тока короткого замыкания. Это приводит к существенному возрастанию плотности рассеиваемой мощности в условиях меньшей теплоемкости полупроводника. Таким образом, становится очевидным, что стойкость к короткому замыканию является главным требованием для процесса совершенствования современных IGBT-технологий. Также не удивительно, что многие публикации за последние годы были посвящены работе транзисторов в режиме короткого замыкания. Более того, в последней публикации Оцуки (Otsuki) и других даже написано о критичных свойствах упомянутых выше новых вертикальных структур при действии тока короткого замыкания.

В первой части данной статьи будут описаны различные варианты повреждения IGBT-транзистора при действии тока короткого замыкания и методы их исключения у новых вертикальных структур IGBT-транзисторов компании Infineon последнего 3-го поколения с оптимизированной структурой Trench/Field-Stop.

Во многих промышленных применениях важную роль играет стойкость не только к однократному замыканию. Также важно знать, сколько импульсов тока короткого замыкания может выдержать современный кристалл. Таким образом, вторая часть данной статьи будет посвящена надежности кристаллов IGBT Trench/Field-Stop, работающих при действии повторяющегося тока короткого замыкания и при различных рабочих условиях.

Варианты повреждения кристалла и его оптимизированная структура

При воздействии на IGBT структуру тока короткого замыкания типичной длительностью 10 мкс возможны три варианта повреждения:

  • 1. Повреждение кристалла по истечении многих сотен микросекунд после успешного отключения тока короткого замыкания.
  • 2. Повреждение кристалла в процессе отключения тока короткого замыкания.
  • 3. Так называемый "режим повреждения током короткого замыкания", возникающий в процессе существования импульса тока короткого замыкания.

Экспериментально установлено, что повреждения 1 и 2 зависят от рассеиваемой мощности при действии импульса тока короткого замыкания. Третий вариант повреждения еще на стадии изучения. Данное повреждение возникает через несколько микросекунд после возникновения импульса тока короткого замыкания при больших плотностях тока и умеренных постоянных напряжениях питания и рабочих температурах. Данное повреждение скорее всего не зависит от рассеиваемой мощности.

Для решения проблем перегрева при повреждениях 1 и 2 структура IGBT-транзисторов типа Trench/Field-Stop (Infineon) была тщательно оптимизирована на предмет обеспечения стойкости к токам короткого замыкания, которые примерно в пять раз превышают номинальный ток. Более того, по сравнению с транзисторами типа NPT (Non Punch Through), IGBT-транзисторы 3-го поколения отличаются более равномерным распределением генерируемого внутри кристалла тепла. Это связано с тем, что у NPT транзистора имеет место треугольная форма распределения напряженности электрического поля в вертикальном направлении, при этом, большая часть тепла генерируется вблизи p-n-перехода. Как следствие, распределение температуры при действии тока короткого замыкания неравномерно, а максимального значения температура достигает на p-n-переходе. У транзисторов же Trench/Field-Stop электрическое поле и генерируемое тепло распределяются более равномерно, что является результатом трапециидального распределения электрического поля, а, значит, и температуры. Совместное влияние эффектов ограничения тока короткого замыкания и трапециидального распределения поля, у транзисторов Trench/Field-Stop достигается менее интенсивное нарастание температуры, несмотря на малые размеры и толщину их кристалла, а также более высокие плотности тока. Третий важный аспект, относящийся к повреждениям 1 и 2, принятии мер, исключающих тиристорный эффект, что было достигнуто введением p-области с высокой проводимостью в непосредственной близости с эмиттером кристалла.

Изучение третьего повреждения выполняется во время действия импульса тока короткого замыкания. Физика механизма такого повреждения еще на стадии исследования. Экспериментально установлено, что главными параметрами, которые влияют на условия повреждения, являются профиль легирования слоя Field-Stop и заднего эмиттера, а также толщина кристалла. Вероятно, в особой степени на возникновение данного повреждения влияет градиент концентрации носителей в нейтральной области вблизи обратного эмиттера. И хотя физика данного повреждения еще не полностью изучена, пользуясь феноменологическим анализом, у IGBT-транзисторов 3-го поколения все же достигнута стойкость к токам короткого замыкания.

Действие повторяющегося тока короткого замыкания

Рисунок 2. Силовые IGBT-модули eupec для применений большой мощности (1200В/3600А) (а) и средней мощности (1200В/600А) (б)
Рисунок 2. Силовые IGBT-модули eupec для применений большой мощности (1200В/3600А) (а) и средней мощности (1200В/600А) (б)

Для изучения надежности кристаллов IGBT 3 Trench/Field-Stop в применениях высокой и средней мощности была проанализирована работа двух силовых модулей, содержащих кристаллы, выполненных на основе указанной технологии (рисунок 2). Каждый из этих модулей выполнен на основе самого большого из доступных 150-амперного кристалла IGBT 3. Для достижения требуемых номинальных токов (до 3600А) в модули установлено несколько таких параллельно-включенных кристаллов, при этом, допустимые токи короткого замыкания могут быть примерно в 5 раз больше номинальных токов. Задачей данных экспериментов является поиск ответов на следующие вопросы:

  • 1. Скольким повторяющимся импульсам тока короткого замыкания может выдержать кристалл или внутренние соединения модуля при различных рабочих условиях?
  • 2. Наблюдается ли какой-либо эффект старения?
  • 3. Существует ли зависимость от рабочих условий?

На рисунке 3 показана электрическая схема с учетом паразитных элементов для анализа действия повторяющегося тока короткого замыкания. Измерения выполнялись с использованием элементов для активного ограничения напряжения коллектор-эмиттер (стабилитроны на 900В), и напряжения затвор-эмиттер (стабилитроны на 20В). Требуемая выходная мощность модуля высокой мощности достигнута параллельным включением 24 кристаллов IGBT-транзисторов, а модуля средней мощности - параллельным включением 4 кристаллов IGBT-транзисторов.

На рисунке 4 показаны типичные осциллограммы при действии импульса тока короткого замыкания длительностью 10 мкс и номинальных условиях (постоянное напряжение питания Vcc=600В, напряжение управления затвором 15В, температура корпуса модуля Tc=125°C). Максимальная рассеиваемая мощность в переходном режиме составляет около 3 МВт, а частота повторения импульсов тока короткого замыкания равна 1/3 Гц. Испытаниям были подвергнуты четыре модуля, причем каждый из них испытывался при действии различного числа импульсов тока короткого замыкания. На рисунке 5 показано, как выполненные суммарно 90 тысяч циклов были распределены между четырьмя модулями. Отказов не было обнаружено, а максимальное количество циклов, которым был подвергнут модуль, составило 50 тысяч. Этот модуль был проанализирован на предмет проявления эффектов старения. В результате, каких-либо отклонений в электрических характеристиках, в т.ч. ток отсечки коллектор-эмиттер, ток утечки затвор-эмиттер и напряжение пробоя, не было установлено. Кроме того, неизменными остались выходная и передаточная характеристики.

Рисунок 3. Схема включения для исследования действия повторяющегося тока короткого замыкания (Lp и Rp -паразитные элементы) Рисунок 4. Типовая форма импульса тока короткого замыкания при номинальных условиях (VGE [5В/дел.], Vcc [200В/дел.], Ic [2000А/дел.])
Рисунок 3. Схема включения для исследования действия повторяющегося тока короткого замыкания (Lp и Rp -паразитные элементы) Рисунок 4. Типовая форма импульса тока короткого замыкания при номинальных условиях (VGE [5В/дел.], Vcc [200В/дел.], Ic [2000А/дел.])

Для изучения механических свойств силовых модулей проволочные соединения были подвергнуты испытаниям на растяжение и на срез. Все соединения остались в пределах установленных норм. Ультразвуковой анализ паяных соединений кристалла и визуальная оценка кристалла и внутренних соединений модуля также не выявили каких-либо признаков деградации.

У IGBT-транзистора были проанализированы металлизированная поверхность кристалла и область контактного отверстия между металлом и полупроводником. Единственным обнаруженным изменением явился эффект рекристаллизации верхнего алюминиевого контактного слоя (рисунок 6а, 6б). Тем не менее, данные изменения, вызванные высокой температурной нагрузкой, как известно, абсолютно не влияют на рабочие характеристики прибора. Также имели место другие некритичные изменения (например, участки оплавления, вызванного локальным перегревом) в области контактного окна (рисунок 6в).

Рисунок 5. Количество выдержанных модулем eupec для применений высокой мощности (1200В/3600А) количества импульсов тока короткого замыкания без наступления отказа Рисунок 6. Металлическая поверхность кристалла незначительно нагруженного (a) и перегруженного (б) кристалла; поперечный разрез контактного отверстия эмиттера перегруженного кристалла (в)
Рисунок 5. Количество выдержанных модулем eupec для применений высокой мощности (1200В/3600А) количества импульсов тока короткого замыкания без наступления отказа Рисунок 6. Металлическая поверхность кристалла незначительно нагруженного (a) и перегруженного (б) кристалла; поперечный разрез контактного отверстия эмиттера перегруженного кристалла (в)

Модуль средней мощности выдержал более полумиллиона импульсов тока короткого замыкания и остался исправным. В связи с этим, чтобы получить более наглядное представление о возможностях кристалла IGBT и технологии соединений в силовом модуле, были проведены испытания в более жестких рабочих условиях. Рисунок 7 демонстрирует зависимость количества импульсов тока короткого замыкания до наступления отказа от постоянного напряжения питания, напряжения управления затвором (от которого зависят уровни выходного тока в соответствии с передаточной характеристикой транзистора) и температуры корпуса модуля. Для всех этих параметров прослеживается строгая экспоненциальная зависимость. Количество коротких замыканий, после которых сохранялась работоспособность транзистора в проанализированном диапазоне изменения параметров, варьируется от 11 при очень тяжелых рабочих условиях и до 560 тысяч при номинальных условиях (данные для номинальных условий на графиках не отражены).

Рисунок 7. Количество импульсов тока короткого замыкания до повреждения модуля для Vcc=800В, Vg=20В, Tc=150°C (каждый график представляет зависимость только от одного из этих параметров)

Результаты всех измерений были объединены в один график зависимости от рассеиваемой кристаллом импульсной энергии (рисунок 8). Здесь сохранена экспоненциальная зависимость для данных полученных при варьировании напряжения питания и напряжения управления затвором. Отклонение от экспоненциальной зависимости имеет место для данных, полученных при варьировании температуры. Следующие испытания были направлены на определение зависимости от максимальной температуры кристалла по окончании каждого импульса с учетом температуры корпуса модуля. Как показано на рисунке 9, максимальную температуру кристалла во время существования импульса короткого замыкания можно считать главным фактором влияния на итоговое значение ожидаемого количества импульсов тока короткого замыкания, которые способен выдержать модуль. Идентичная экспоненциальная зависимость от Tj.max обнаружена для всех вариаций параметров (Vcc, Vg, Tc).

Рисунок 8. Количество импульсов тока короткого замыкания до повреждения как функция рассеиваемой кристаллом импульсной энергии
Рисунок 8. Количество импульсов тока короткого замыкания до повреждения как функция рассеиваемой кристаллом импульсной энергии

 

Рисунок 9. Количество импульсов тока короткого замыкания до повреждения как функция максимальной температуры кристалла. На данный график также включены данные для номинальных условий, при которых повреждение модуля не наблюдалось в течение свыше полумиллиона импульсов
Рисунок 7. Количество импульсов тока короткого замыкания до повреждения модуля для Vcc=800В, Vg=20В, Tc=150°C (каждый график представляет зависимость только от одного из этих параметров) Рисунок 9. Количество импульсов тока короткого замыкания до повреждения как функция максимальной температуры кристалла. На данный график также включены данные для номинальных условий, при которых повреждение модуля не наблюдалось в течение свыше полумиллиона импульсов

Выводы

Были рассмотрены три варианта повреждения кристаллов современных IGBT-транзисторов при действии тока короткого замыкания и обсуждены конструктивные особенности структуры IGBT-транзисторов типов Trench/Field-Stop, влияющие на повышение стойкости к токам короткого замыкания. Было показано, что технология IGBT 3 обеспечивает отличную стойкость к токам короткого замыкания, а также, что технология изготовления модуля и кристалла способна обеспечить стойкость к большому количеству импульсов тока короткого замыкания в имеющих практическое значение рабочих условиях. Какие-либо признаки повреждения силового модуля и изменения его электрических характеристик обнаружены не были. По результатам экспериментов установлено, что существует экспоненциальная зависимость допустимого количества импульсов тока короткого замыкания от максимальной температуры кристалла по окончании каждого импульса. В дальнейшем будут продолжены исследования физики механизма повреждения при действии множества импульсов тока короткого замыкания.

© 1999-2016 All Right Reserved. EFO Ltd. При использовании материалов ссылка на источник обязательна.
Контактная информация