1 简介
现代工业中1200v igbt的使用非常频繁和广泛，如马达驱动、ups、逆变焊机等设备中都可见其身影。其日益增长的市场份额正促使igbt的性能连续不断地改进，例如，向更低的工作损耗、更大的输出功率方向前进。
为降低igbt器件的损耗从而减少整个系统的成本和体积，必须考虑两个主要参数:饱和电压和开关能量。在低频段逆变电路的损耗主要由饱和电压决定，而在高频段开关能耗则起着重要的作用。因此针对不同开关频率提供多种可供选择的器件肯定会受到市场的欢迎。
两种新的igbt技术，spt和trench-fs，就反映了这种趋势。

2 使用spt和trench-fs新技术的igbt
在介绍新的spt和trench-fs技术之前回顾一下目前广泛使用的npt(non-punch-through，不穿通)技术可能会对我们有所帮助。如图1-a所示，npt-igbt芯片使用一块同极性的n-掺杂硅片衬底(厚约200μm)，在该基片的顶部形成一个mosfet门极结构，而在底部通过插入一p+层形成一双极性pnp型晶体管。具备这种同极性衬底结构的igbt有很多优点:如很高的可靠性，特别是在短路情况下;饱和电压的正温度系数以及矩形状的反向偏置安全工作区(rbsoa)。npt-igbt关键参数列于表一。
软穿通技术[1]，如图1.b所示，在n-基片下有一附加的n+缓冲区层。当n-基片减至最薄时n+缓冲区会阻止器件发生“穿通型”击穿。因此spt-igbt能够比npt-igbt使用更薄的衬底。在基片的顶部生成一个标准的平面mosfet门极。spt-igbt变薄的n-基片使得和npt-igbt相比，其通态电压更低，开关损耗更小。

图1 不同技术的igbt芯片结构

spt-igbt的开关性能也得到优化:关断时电压为线性上升，低的过冲电压，短而小的尾电流以及下降段和末尾段之间的平滑过度。开关损耗也很低。和标准npt-igbt比较，在芯片面积以及热阻几乎不变的情况下，饱和电压特性却改进了。
表1 不同igbt芯片的主要特性

沟道-场截止(trench-fs)技术[2]也是在n-基片底部附加一层n+层，同时上述结构中还嵌入了一个深的沟道门极。这种优化的门极结构和底部发射极在n-基片中形成一块优化的矩形状等离子层。这种特殊结构使trench-fs igbt和npt-igbt相比饱和电压下降30%，芯片尺寸约为原先的70%，因此电流密度大大提高，然而产生的副效应就是热阻变大。
与spt-igbt相比，加工trench-fs-igbt需要更复杂的工艺，可是对同样厚度的这样两片芯片，trench-fs-igbt所需的硅材料就少多了(芯片面积减小)。
表1中列出了trench-fs-igbt和spt-igbt的主要参数。与当前普遍使用的npt-igbt相比，两者的性能都得到了显著的改进，但又各有所长:trench-fs-igbt的通态电压更低，spt-igbt的开关损耗最小，更适合于高开关频率下的应用。这两种igbt都能够承受瞬时短路(至少10μs)，动态稳定性也不错。

图2 cal二极管作为续流二极管

3 使用cal-二极管作为续流二极管
semikron cal(受控轴向载流子生存周期)二极管使用深度掺杂n+的n-衬底做基片(图2)。在阳极一侧，p+保护环被掺杂已达到1200v或更高的阻断电压。通过特别的离子注入技术可使复合中心形成预定的轴向分布图[3]。用此技术制造的二极管具备很高的稳定性，它能工作在关断时dif/dt特别大(高达15ka/μs-cm2)的工况下，因此非常适合做快速开关igbt(特别是阻隔电压在1200v或以上)的续流二极管。
cal-二极管具备软恢复特性，而且该特性和电流大小及其他条件无关。电路设计时该特性可使我们简化emi兼容性方面的考虑，而且在整个电流和温度范围内反向恢复电流的跳变也消除了。反向电流的逐渐减小也使得反向电压峰值变小。
此外，cal-二极管关断能耗很低。小反向峰值电流有助于减少相对应igbt的开通损耗。因此这种类型的二极管与spt-igbt能良好的匹配，两者的结合构成的igbt开关器件表现出优越的开关性能和很低的开关损耗。

4 trench-fs-igbt使用的cal-hd-二极管
因为trench-fs芯片的高电流密度，trench-fs-igbt芯片组封装在功率模块封装里可以获得更大的额定电流。然而，如果续流二极管的尺寸不做相应调整，igbt电流的提高是相当有限的，因此二极管也需要具有高电流密度和低的正向导通电压。

图3 cal和cal-hd二极管芯片的通态特性

通过控制轴向载流子生命周期，使用前面描述过的cal技术可以获得上述问题的解决方案。新的cal-hd(高密度)芯片和图2的结构基本上相同，但是复合中心的轴向分布图做了修改[4]。该修改使正向导通电压大大降低(图3)。因此，对一额定的电流等级，芯片尺寸可以减小，通态电压的温度系数也得到改进，在额定电流附近变成正的，这是一个有用的特性，当电流大于单管的额定电流而需要二极管并联使用时可以自动获得均流功能。在小电流段，尽管温度系数稍微接近负值，但相对于现存的cal二极管，该参数值在二极管并联使用时不再对电流均流起关键影响。
人们正在深入研究几十个cal-hd芯片的并联使用，以期望根据正向通态电压对芯片进行预选的工序可以省却。目前在二极管并联使用的场合cal芯片是需要预选的。

图4 逆变电路中cal和cal-hd二极管的损耗

新的cal-hd二极管采纳了cal二极管的软恢复特性，反向峰值电流只稍微高一些，即使在很低电流的情况下，反向峰值电流也不变。在udc=900v，dif/dt值超过10ka/μs.cm2下的实验成功表明高的动态稳定性使得该种二极管适合高开关频率的运用。

图5 使用cal和cal-hd二极管时逆变电路最大输出电流

为了比较在逆变运行条件下cal-hd和cal二极管的负载电流能力，我们进行了仿真实验。根据图3的的正向导通特性，我们计算了在三相逆变电路中同样芯片面积(两者都是61mm2)的做续流用的这两种二极管的损耗，结果见图4。仿真使用了下面的实验测试的损耗数据:在udc=600v，if=100a，结温设定为125℃的情况下cal和cal-hd的损耗分别是5.33mj和7.06mj。
在二极管最高允许结温不超过125℃的条件下，这两种二极管的最大输出电流见图5。

图6 含由不同igbt/fwd芯片组构成的模块的逆变电路的损耗

我们发现在8khz以前，cal-hd二极管的输出电流都比cal二极管大，因此它能更好地匹配trench-fs-igbt。

5 逆变电路中损耗和输出电流
spt-cal和trench-fs/cal-hd这两种搭配的芯片组被封装入标准的semitrans模块(semitrans 3，衬底面积61.4χ106.4mm2)。图6给出了当这两种器件用在三相逆变电路中时各自的全部损耗。为比较起见，图中也给出了npt模块(也使用可获得的最大基片截面积)的数据。
将上述三种模块安装在截面为p16(长360mm，rthha=0.030k/w)的散热器上，图7给出了由这三种模块构成的逆变电路的最大输出电流。三曲线的交点表明trench-fs-cal-hd芯片组在低频段输出电流能力强一些，而同尺寸的spt/cal芯片组在高频段电流输出更大。

图7 同样的模块封装不同芯片组的输出电流

在全部频段内，spt/cal相对于标准的npt/cal模块输出电流约提高20%，而trench-fs/cal-hd模块在其适当频段(1-5khz)内提高幅度更大。
上述仿真结果是基于"semisel"[5]描述的方法之上的，我们可从semikron 公司网站上获取该方法。使用该强有力的仿真工具我们可以对igbt器件的不同运行参数如损耗，散热器温度和结温进行预测，因此针对不同情况选择最合适的igbt/fwd芯片组就变得简洁易行。

图8 1200v逆变器件推荐的开关频率

图8是一张为不同功率模块所推荐的工作频段的图表。为便于比较，在spt/cal(128系列)，trench-fs/cal-hd(126系列)之后还介绍了现有的npt/cal模块(123-标准系列、124-低损系列、125-超高频系列)。

6 结束语
新的igbt芯片和使用cal技术的相匹配的续流二极管组合构成的新器件将满足市场对工作在不同开关频段范围的器件的要求。spt/cal和trench-fs/cal-hd这两种匹配的芯片组已经开发出来了。使用这两种芯片组的1200v模块将使得用户能够选择合适的器件来达到他们对开关频率和最低损耗的要求。