不同時(shí)期的模板散熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　近幾年來(lái)，功率IGBT模板散熱器的性能提高很快，額定電流已達(dá)數(shù)百安培，耐壓達(dá)1500V以上，而且還在不斷提高。由于IGBT器件具有PIN二極管的正向特性，P溝功率IGBT模板散熱器的特性不比N溝IGBT差多少，這非常有利于在應(yīng)用中采取互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，從而擴(kuò)大其在交流和數(shù)字控制技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

　　1溝槽(Trench)結(jié)構(gòu)

　　同各種電力半導(dǎo)體一樣，IGBT向大功率化發(fā)展的內(nèi)部動(dòng)力也是減小通態(tài)壓降和增加開關(guān)速度(降低關(guān)斷時(shí)間)之間矛盾的折衷。在常規(guī)的一至二代IGBT中，其MOS溝道是平行于硅片表面的。它的導(dǎo)通電流由兩部分組成：MOS分量IMOS和晶閘管分量ISCR，為防止閂鎖(Latch-up)效應(yīng)，其MOS分量必須占主導(dǎo)。其流通途徑中不可避免地存在一個(gè)位于柵極下方、夾在P型基區(qū)中間的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)的電阻RJFET，它成為提高頻率特性、縮小通態(tài)壓降的障礙。第四代IGBT采用特殊的工藝制成溝槽結(jié)構(gòu)，挖掉了RJFET，把MOS溝道移到垂直于硅片表面的位置，元胞尺寸可減少到20%。這樣可提高硅片利用率，減小通態(tài)壓降，也為其頻率參數(shù)的改善創(chuàng)造了新的可能性。

　　2IGBT模板散熱器高壓化

　　1993年，德國(guó)EUPEC公司(歐洲電力電子公司)推出3.2kV/1.3kA的IGBT模塊，但它是用多個(gè)IGBT芯片串聯(lián)加并聯(lián)組成的。只能說(shuō)是高壓化發(fā)展的一種嘗試。人們?cè)J(rèn)為IGBT耐壓不會(huì)突破2kV，是因?yàn)?.2kV以下的IGBT都是用高阻外延硅片制成的，電壓要達(dá)到1.5kV，外延層厚度就要超過(guò)180μm，幾乎是不能實(shí)用化的。

　　1996年，日本東芝公司推出了2.5kV/1kA的IGBT，具有同大功率晶閘管、GTO管相同的平板壓接式封裝結(jié)構(gòu)。它突破了外延片的制約，采用(110)晶面的高阻單晶硅片制造，硅片厚度超過(guò)300μm，有了足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

　　1998年，耐壓4.5kV的單管IGBT開發(fā)出來(lái)，但是，要想制作單管大電流IGBT是不可能的。在IGBT的制造過(guò)程中要做十幾次精細(xì)的光刻套刻，經(jīng)過(guò)相應(yīng)次數(shù)的高溫加工，圖形大到一定程度，合格率會(huì)急劇下降，甚至為零。所以，制造大功率IGBT，必然是要并聯(lián)的。

　　東芝公司生產(chǎn)的2.5kV/1kAIGBT，是由24個(gè)2.5kV/80A的IGBT芯片并聯(lián)而成的，還有16個(gè)2.5kV/100A的超快恢復(fù)二極管(FRED)芯片與之反并聯(lián)(續(xù)流二極管)。實(shí)現(xiàn)單串多并結(jié)構(gòu)是IGBT走向大功率化的必由之路。采用NPT結(jié)構(gòu)是IGBT自如并聯(lián)的必要條件。

　　3霹靂型IGBT模板散熱器問(wèn)世

　　一段時(shí)間以來(lái)，IGBT模板散熱器的工作頻率限制在20kHz以下，在采用軟開關(guān)拓?fù)涞碾娐分凶疃嗫晒ぷ鞯?0kHz以下，許多開關(guān)電源用到更高的頻率，基本是功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管的天下。1998年在第四代技術(shù)的基礎(chǔ)上，美國(guó)IR公司(WARP系列)和APT公司(GT系列)開發(fā)了命名為霹靂型IGBT的新器件，由二維集成轉(zhuǎn)向三維集成。其額定電壓達(dá)到600V，額定電流為0～100A。其硬開關(guān)工作頻率可達(dá)150kHz，諧振逆變軟開關(guān)電路可達(dá)300kHz。它的開關(guān)特性已接近功率MOSFET，而電流密度則為MOSFET的2.5倍，即相同電流時(shí)它的硅片面積大大減小，故成本有所降低。