650V IGBT4模块的性能参数介绍
1 引言
2003年，英飞凌公司提出了使用沟槽和场截止技术的600v igbt3器件，该产品目前仍然是igbt器件特性的标准。然而，这种600v igbt3 主要适合小功率应用或者杂散电感很低的大功率应用。在器件开启及关断时，杂散电感与电流变化量的结合影响着器件的电压特性，可以表示为v=l·di/dt。因此，如果器件关断时电感lσ较大，过压就会很高。当前，为了给不同电路的大电流应用提供更多的选择，一种全新的芯片——650v igbt4 已设计完成。
2 650v igbt4的设计及技术
与600v igbt3一样，新的650v igbt4也是采用了沟槽的mos-top-cell薄片技术和场截止的概念（如图1 所示），但与600v igbt3相比，芯片厚度增加了大约15%，并且mos沟道宽度减小了大约20%（图1中的红色部分），因此通过减小电磁干扰改善了关断时的软度，同时获得了更高的阻断电压能力。沟槽和场截止的结合使通态损耗和关断损耗仍相对较低。当然，上述措施自然也会引起附加的损耗。为了补偿相应的影响，背面发射极的效率增加了50%。 结果，650v igbt4器件关断时软度得以改善，即正向过冲电压降低，关断电流变化率di/dt减小；同时阻断电压增加到650v。另一方面，正向电压仍然较低，开关损耗只有适度的增加。
图1 新型650v igbt4横向剖面图
与600v igbt3相比的改进在图中已示出：增加了芯片厚度（y），减小了沟道宽度（z），增加了背面p发射极效率。
3 650v igbt4的特性
静态和动态参数
相比于600v igbt3，新型650v igbt4器件的饱和电压vce，sat有轻微的增加（~100mv），同时eoff也有增加，主要原因在于器件具有更软的开关行为。如图2和图3所示，软度的改进是显而易见的。
图2在25℃，600ａ电流关断时， 600v igbt3 （ａ）和新型650v igbt4 （ｂ）在关断时的软度比较（在econodualtm3模块上测量）。图中示出了电压vce （黑色曲线）、集电极电流ic（红色曲线）及栅极－发射极电压vge（绿色曲线）的变化情况，对于igbt3，在200v的直流电压下，已经有震荡发生；而新型650v igbt4即使在300v直流电压下仍表现为软的开关特性。
图2 中对econodualtm3的开关过程进行了比较。这种特殊的高电流电路对600v igbt3并不太合适。因此，在25℃、200v的直流电压下，对600ａ电流关断时， 600v igbt3会产生一个很高的过冲电压vce，max和阶跃震荡。相反，特别为这种高电流应用相对应的模块类型设计的650v igbt4，即使直流电压加到300v，仍然显示出平滑的关断特性和很低的过冲电压vce，max。
从图3可见，通过比较软度参数vce，max和电流变化率di/dt，两种器件开关特性的差异也是很明显的。我们在25℃的温度下，将器件安装在dbc表面，对600v igbt3进行了的测试；对新型650v igbt4，则进行了几种不同变体的测试，包括最终的目标设计。通过对600v igbt3和新型650v igbt4最终变体的测量结果比较，我们可以看出650 igbt4与600v igbt3相比，最大过冲电压vce，max减小了大约40v，同时关断电流变化率di/dt下降了20%。
图3 器件关断时软度参数的对比结果
包括电流变化率di/dt和最大过冲电压vce，max，器件则包括600v igbt3和新型650v igbt4（红色菱形）及其不同变体（小的红色三角形）。所有的数据均为在25℃、在dbc表面、同样的条件下测试。对于新型650v igbt4的最终变体，最大过冲电压vce，max比600 igbt3减小了大约40v，关断电流变化率di/dt下降了20%。
另一方面，在关断时更软的开关行为必须付出更高的损耗。但是考虑到常规的开关频率，这种损耗增加无关紧要。该事实可以在图4明显看出：图4是iposim的模拟结果。iposim，是infineon公司设计的一种功率仿真程序，可以在infineon 网站（www.infineon.com）找到。它可以完成针对所有组件的开关和导通损耗的计算，不但考虑通态和开关损失，同时也考虑热额定值。从图4 可以看出，由于650v igbt4的损耗增大引起的模块电流有效值的减小是很少的，在12khz以下处于3%到7%的范围之内。而12khz以下是常规应用典型的开关频率范围。
图 4 在600a econodualtm3 的模块中，电流有效值随开关频率变化的计算结果：600v igbt3（黑色线条）、650v igbt4（红色线条），模拟条件rth（heatsink）=0.09k/w，t（ambient）=40℃，tvj，op=150℃，cos（φ）=0.85）。
3.2短路鲁棒性
尽管场截止型场截止型igbt相对于非穿通型的设计相当程度的减小了硅片厚度，但它仍然具有良好的短路鲁棒性［2，3］。与原来的600v igbt3相比，新型650v igbt4，短路鲁棒性有显着的增强。硅片厚度的增加，带来硅片体积热容量的增加，从而可以提供更大的热预算。 另外，沟道宽度的减小降低了短路电流的水平（这种效应见于［4］）。总之，650v igbt4 可以抵抗更高的短路能量，从而使器件能够耐受更长的短路脉冲时间而不会损坏。
图5中所示为650v igbt4短路脉冲测试结果。曲线示出，短路脉冲时间达到了15μs，并且短路电流通常约是200a器件标称电流的4.5 倍。尽管由于热的失控，短路的结果后来导致了器件的损坏（图中没有示出），然而短路关断结果本身是成功的。对典型器件，热损坏的极限是15μs，低于这种条件，即使脉冲时间达到14.5μs，器件通常都能耐受下来。考虑到工艺能力的要求，可以说在tvj=tvj，op时，器件的额定最大短路脉冲耐受时间从600v igbt3的6μs提高到目前的新型650v igbt4的10μs。
图5. 650v igbt4的短路脉冲测试结果
图中集电极-发射极电压vce（黑色曲线）、集电极电流ic（红色曲线）、栅极-发射极电压vge（绿色曲线，右侧纵坐标），测试条件：vce =360v， vge =±15v， tvj =150℃。
4 最大电流
最大电流是指在在不影响设备安全状态下，所能承受的电流的一个极限值，一般只是允许短时间的出现，否则会引起设备损坏。
电机的最大工作电流是电机可以长时间工作的工作电流，一般可以达到额定电流的1.2倍左右，一般由于设计功率计算不当而导致电机选择偏小，但是在超过额定功率的情况下电机可以持续工作，此时的工作电流是最大工作电流，
电动机的起动电流＝堵转电流＝最大电流，三者是同一数值。对于常用的y系列三相异步电动机来说，起动电流是额定电流的5.5~7.0倍，不同功率、不同转速的电机略有差别。最大瞬间电流三相交流电是额定电流的1.732倍，两相交流电是1.414倍。
最大短路电流则是在设备承受极限电流之后，在迅速断开之前，所承受的电流不会对设备造成破坏性损坏的最大瞬间承受电流。
额定最大电流：设备在满足准确度、安全性、可靠性的同时允许设备长期运行的最大电流。
5结论
一种特别为大电流应用设计的igbt器件——新型650v igbt4研制成功。该器件可用于相应的模块，例如62mm，econodualtm3和econopacktm4。该igbt器件的特征在于改善了关断的软度，即显着减小了过冲电压vce，max和电流变化量di/dt的值。该器件使得在更高的直流电压和（或者）连接更大电感的情况下，关断econopacktm4变为现实。另外，这种新型650v igbt4提供了更高的短路鲁棒性，可以耐受10μs的脉冲时间。新型650v igbt4 具有更好的开关行为，而依旧只有适度的损耗，这种特性使得更好的短路事件管理成为可能：利用10微秒的耐受时间，进行短路情况下的电流探测（比如利用开环hall 传感器等）。
另外，infineon igbt模块内部装配技术的最优化提供了显着的能量循环（pc）的改善。这样至少可以确保在pn 结工作结温tvj，op=150℃时有优秀的pc寿命预期，或者在用户选择较低结温下有更长的pc寿命。650v igbt4在设计工程师使用时能提供更有效的自由度。
这种新一代的半导体器件将被用在大家熟知的和未来的igbt 模块中。由于前述的众多改进，对不同的应用需求，新一代的igbt4 模块都将是一个明智的选择。
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数据块DB的结构和应用实例分析
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51晶振为什么是11.0592
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从FPGA朝向SoC FPGA发展 主要有几个关键的推动因素
中国电信运营商数字化转型的整体评价
2003年，英飞凌公司提出了使用沟槽和场截止技术的600v igbt3器件，该产品目前仍然是igbt器件特性的标准。然而，这种600v igbt3 主要适合小功率应用或者杂散电感很低的大功率应用。在器件开启及关断时，杂散电感与电流变化量的结合影响着器件的电压特性，可以表示为v=l·di/dt。因此，如果器件关断时电感lσ较大，过压就会很高。当前，为了给不同电路的大电流应用提供更多的选择，一种全新的芯片——650v igbt4 已设计完成。
2 650v igbt4的设计及技术
与600v igbt3一样，新的650v igbt4也是采用了沟槽的mos-top-cell薄片技术和场截止的概念（如图1 所示），但与600v igbt3相比，芯片厚度增加了大约15%，并且mos沟道宽度减小了大约20%（图1中的红色部分），因此通过减小电磁干扰改善了关断时的软度，同时获得了更高的阻断电压能力。沟槽和场截止的结合使通态损耗和关断损耗仍相对较低。当然，上述措施自然也会引起附加的损耗。为了补偿相应的影响，背面发射极的效率增加了50%。 结果，650v igbt4器件关断时软度得以改善，即正向过冲电压降低，关断电流变化率di/dt减小；同时阻断电压增加到650v。另一方面，正向电压仍然较低，开关损耗只有适度的增加。
图1 新型650v igbt4横向剖面图
与600v igbt3相比的改进在图中已示出：增加了芯片厚度（y），减小了沟道宽度（z），增加了背面p发射极效率。
3 650v igbt4的特性
静态和动态参数
相比于600v igbt3，新型650v igbt4器件的饱和电压vce，sat有轻微的增加（~100mv），同时eoff也有增加，主要原因在于器件具有更软的开关行为。如图2和图3所示，软度的改进是显而易见的。
图2在25℃，600ａ电流关断时， 600v igbt3 （ａ）和新型650v igbt4 （ｂ）在关断时的软度比较（在econodualtm3模块上测量）。图中示出了电压vce （黑色曲线）、集电极电流ic（红色曲线）及栅极－发射极电压vge（绿色曲线）的变化情况，对于igbt3，在200v的直流电压下，已经有震荡发生；而新型650v igbt4即使在300v直流电压下仍表现为软的开关特性。
图2 中对econodualtm3的开关过程进行了比较。这种特殊的高电流电路对600v igbt3并不太合适。因此，在25℃、200v的直流电压下，对600ａ电流关断时， 600v igbt3会产生一个很高的过冲电压vce，max和阶跃震荡。相反，特别为这种高电流应用相对应的模块类型设计的650v igbt4，即使直流电压加到300v，仍然显示出平滑的关断特性和很低的过冲电压vce，max。
从图3可见，通过比较软度参数vce，max和电流变化率di/dt，两种器件开关特性的差异也是很明显的。我们在25℃的温度下，将器件安装在dbc表面，对600v igbt3进行了的测试；对新型650v igbt4，则进行了几种不同变体的测试，包括最终的目标设计。通过对600v igbt3和新型650v igbt4最终变体的测量结果比较，我们可以看出650 igbt4与600v igbt3相比，最大过冲电压vce，max减小了大约40v，同时关断电流变化率di/dt下降了20%。
图3 器件关断时软度参数的对比结果
包括电流变化率di/dt和最大过冲电压vce，max，器件则包括600v igbt3和新型650v igbt4（红色菱形）及其不同变体（小的红色三角形）。所有的数据均为在25℃、在dbc表面、同样的条件下测试。对于新型650v igbt4的最终变体，最大过冲电压vce，max比600 igbt3减小了大约40v，关断电流变化率di/dt下降了20%。
另一方面，在关断时更软的开关行为必须付出更高的损耗。但是考虑到常规的开关频率，这种损耗增加无关紧要。该事实可以在图4明显看出：图4是iposim的模拟结果。iposim，是infineon公司设计的一种功率仿真程序，可以在infineon 网站（www.infineon.com）找到。它可以完成针对所有组件的开关和导通损耗的计算，不但考虑通态和开关损失，同时也考虑热额定值。从图4 可以看出，由于650v igbt4的损耗增大引起的模块电流有效值的减小是很少的，在12khz以下处于3%到7%的范围之内。而12khz以下是常规应用典型的开关频率范围。
图 4 在600a econodualtm3 的模块中，电流有效值随开关频率变化的计算结果：600v igbt3（黑色线条）、650v igbt4（红色线条），模拟条件rth（heatsink）=0.09k/w，t（ambient）=40℃，tvj，op=150℃，cos（φ）=0.85）。
3.2短路鲁棒性
尽管场截止型场截止型igbt相对于非穿通型的设计相当程度的减小了硅片厚度，但它仍然具有良好的短路鲁棒性［2，3］。与原来的600v igbt3相比，新型650v igbt4，短路鲁棒性有显着的增强。硅片厚度的增加，带来硅片体积热容量的增加，从而可以提供更大的热预算。 另外，沟道宽度的减小降低了短路电流的水平（这种效应见于［4］）。总之，650v igbt4 可以抵抗更高的短路能量，从而使器件能够耐受更长的短路脉冲时间而不会损坏。
图5中所示为650v igbt4短路脉冲测试结果。曲线示出，短路脉冲时间达到了15μs，并且短路电流通常约是200a器件标称电流的4.5 倍。尽管由于热的失控，短路的结果后来导致了器件的损坏（图中没有示出），然而短路关断结果本身是成功的。对典型器件，热损坏的极限是15μs，低于这种条件，即使脉冲时间达到14.5μs，器件通常都能耐受下来。考虑到工艺能力的要求，可以说在tvj=tvj，op时，器件的额定最大短路脉冲耐受时间从600v igbt3的6μs提高到目前的新型650v igbt4的10μs。
图5. 650v igbt4的短路脉冲测试结果
图中集电极-发射极电压vce（黑色曲线）、集电极电流ic（红色曲线）、栅极-发射极电压vge（绿色曲线，右侧纵坐标），测试条件：vce =360v， vge =±15v， tvj =150℃。
4 最大电流
最大电流是指在在不影响设备安全状态下，所能承受的电流的一个极限值，一般只是允许短时间的出现，否则会引起设备损坏。
电机的最大工作电流是电机可以长时间工作的工作电流，一般可以达到额定电流的1.2倍左右，一般由于设计功率计算不当而导致电机选择偏小，但是在超过额定功率的情况下电机可以持续工作，此时的工作电流是最大工作电流，
电动机的起动电流＝堵转电流＝最大电流，三者是同一数值。对于常用的y系列三相异步电动机来说，起动电流是额定电流的5.5~7.0倍，不同功率、不同转速的电机略有差别。最大瞬间电流三相交流电是额定电流的1.732倍，两相交流电是1.414倍。
最大短路电流则是在设备承受极限电流之后，在迅速断开之前，所承受的电流不会对设备造成破坏性损坏的最大瞬间承受电流。
额定最大电流：设备在满足准确度、安全性、可靠性的同时允许设备长期运行的最大电流。
5结论
一种特别为大电流应用设计的igbt器件——新型650v igbt4研制成功。该器件可用于相应的模块，例如62mm，econodualtm3和econopacktm4。该igbt器件的特征在于改善了关断的软度，即显着减小了过冲电压vce，max和电流变化量di/dt的值。该器件使得在更高的直流电压和（或者）连接更大电感的情况下，关断econopacktm4变为现实。另外，这种新型650v igbt4提供了更高的短路鲁棒性，可以耐受10μs的脉冲时间。新型650v igbt4 具有更好的开关行为，而依旧只有适度的损耗，这种特性使得更好的短路事件管理成为可能：利用10微秒的耐受时间，进行短路情况下的电流探测（比如利用开环hall 传感器等）。
另外，infineon igbt模块内部装配技术的最优化提供了显着的能量循环（pc）的改善。这样至少可以确保在pn 结工作结温tvj，op=150℃时有优秀的pc寿命预期，或者在用户选择较低结温下有更长的pc寿命。650v igbt4在设计工程师使用时能提供更有效的自由度。
这种新一代的半导体器件将被用在大家熟知的和未来的igbt 模块中。由于前述的众多改进，对不同的应用需求，新一代的igbt4 模块都将是一个明智的选择。
AR和3D传感将是一个很大的催化剂 奇景光电2018年或迎来腾飞
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