真正的多元供應，確保供應鏈安全

Paul Drexhage市場技術經理

近年來，功率半導體用戶深刻地意識到不確定的半導體供應鏈帶來挑戰相當棘手。因此，在設計變頻器時，"多元采購 "一直是用戶的需求。賽米控丹佛斯作為最大的獨立于芯片的功率模塊制造商，在解決這個問題上有獨特的優勢。與我們的長期合作伙伴羅姆半導體一起，我們為低功率模塊產品增加了一個完全兼容的1200V IGBT的新來源。這將進一步幫助緩解功率模塊的交付短缺，并確保供應鏈的安全。

全球范圍內電氣化技術的進步為功率模塊帶來了前所未有的需求。通常情況下，芯片供應限制了功率模塊的產能。盡管芯片制造商不斷提高生產能力，但供應情況仍然緊張。正是在這種背景下，羅姆推出了新的1200V RGA IGBT，目標是作為工業應用中最新的第7代IGBT器件的替代品。多年來，羅姆一直是賽米控丹佛斯在碳化硅器件供應方面值得信賴的合作伙伴。羅姆正在向賽米控丹佛斯擴大他們的硅芯片產品，將自己定位為傳統芯片供應商的先進替代品。

RGA是一種新設計的、輕穿通型（LPT）、溝槽柵IGBT，Tj,max = 175°C。其導通、開關和熱特性為中低功率范圍內的新工業驅動應用進行了優化。同時，RGA旨在與現有的IGBT解決方案保持兼容，以實現多源供應。下面的討論通過比較兩個相同的模塊的基本器件特性來說明這一點。1200V的RGA IGBT已經在無底板的MiniSKiiP封裝中進行了測試。一個配備了第7代的SKiiP24AC12T7V1（ICnom = 35A）用作參考。在這兩個測試模塊中，電路是相同的，并使用賽米控丹佛斯CAL4F續流二極管。

圖1：輸出特性（芯片級），歸一化到額定電流

RGA的現代溝槽柵極設計和特定的載流子設計旨在提供低通態電壓降。與所有現代的硅IGBT一樣，RGA在較高的電流范圍內表現出正溫度系數（PTC）的正向電壓降。雖然這種PTC特性在RGA中比第7代IGBT更強，但在高溫下產生的稍高的正向電壓降部分被室溫下的低電壓降所彌補（圖1）。結果是兩個IGBT在額定電流下的正向電壓降相似，在給定的溫度范圍內，RGA器件是7代器件相差±4%。總的來說，像第7代IGBT一樣，RGA表現出比前幾代芯片低得多的正向電壓降。

RGA IGBT的大電流特性與第7代IGBT不同。如圖2所示，RGA IGBT在較高的電流下退飽和，這允許更好地處理在頻繁過載的應用中出現的瞬時過電流，如電機驅動。即使溫度系數在150°C時影響了行為，RGA器件仍然可以處理三倍于額定值的峰值電流。這有可能使模塊具有三倍額定電流的重復峰值電流，這適用于具有預期階梯式過載的應用。

對于短時的過載能力，配備RGA IGBT的功率模塊具有同第7代IGBT一樣的高溫開關能力：可以工作在175℃的結溫。允許的溫度曲線的細節在[1]的2.3節中給出。對于連續運行，配備了RGA IGBT的功率模塊遵循與現有器件相同的準則：從絕對的最大結點（即Tj,op=150°C）起25K的余量（在最大的允許結溫下再預留25K的余量，即Tj,op=150°C）。

圖2：輸出特性（芯片級），歸一化到額定電流

柵極特性

第7代IGBT采用了條紋溝槽柵結構，以實現非常小的IGBT單元間距和高導電性（即低電壓降）。然而，這種結構的缺點是，與IGBT4相比，它的柵極電容明顯較高。這種高電容導致開關時對驅動電路的高負載（電流）要求。在RGAIGBT中采用的良好的傳統溝槽柵極結構，比同等的第7代IGBT器件的柵極電荷小18%。同時，柵極閾值電壓VGE(th)仍然與其他現代IGBT相似（例如6.0V），在寄生開通性和驅動便利性之間提供了一個很好的平衡。推薦的柵極驅動電壓也與大多數IGBT器件相同，在VG,on=15V和VG,off=-8V時進行了測試。

動態特性測試

新一代的IGBT傾向于更高的dv/dt水平（例如，超過7kV/μs），因為這樣可以通過提高開關速度來減少開關損耗。RGA也不例外，正像第7代IGBT，可以通過改變柵極電阻來控制開通時的dv/dt和di/dt。即使是在較高的電流下，也可以實現適合于電機驅動的di/dt（<5kV/μs）水平。一般來說，RGA需要較高的RGon來實現與第7代器件類似的dv/dt和di/dt值（圖3）。

圖3: 不同RGon的開通dv/dt和di/dt特性

圖4:相同RGon的開通特性

在相同的工況和相同的柵極電阻（RGon=8.2Ω，圖4）下比較RGA和第7代IGBT開通過程時，能明顯地發現RGA有更快的開關速度和需要更大的柵極電阻。在圖4中，RGA器件上的峰值電流比第7代IGBT高約22%。但是，高的di/dt，加上VCE電壓的快速下降，意味著電流-電壓積分和由此產生的開關損耗更低。如果可以接受更高的dv/dt，例如在高速伺服驅動應用中，當使用RGA IGBT時，其回報是開通損耗減少25%。

相反，如果需要類似于第7代IGBT的開關速度，那么將開通的柵極電阻增加一倍就可以了。圖5表明，把柵極電阻增加到RGon=16Ω，其平滑的電壓和電流的波形會幾乎與第7代IGBT重疊。較慢的開關速度增加了損耗，但在這個例子中，RGA和參考的第7代器件的開通損耗幾乎是相同的。

圖5:不同RGon的開通特性

與大多數現代溝槽柵IGBT的設計一樣，關斷柵極電阻的小范圍變化對第7代IGBT影響較小。這對RGA IGBT來說也是如此，在大概20Ω的范圍內調整柵極電阻，對di/dt、dv/dt和關斷損耗的影響很小。使用相同的8.2Ω柵極電阻來關斷RGA IGBT，盡管它上升時間很快，但與第7代IGBT的并排比較表現出幾乎相同的電壓過沖（圖6）。RGA IGBT表現出一個軟的，但長的拖尾電流，這增加了電壓-電流積分。然而，更高的dv/dt部分補償了這種影響。最終的結果是，RGA的關斷損耗只比參考的第7代器件高5%。

圖6:相同RGon的關斷特性

應用對比

導通損耗、開關損耗和散熱性能的最終效應最好通過計算給定應用條件下的結溫來表示。以下采用一個三相，兩電平電壓源逆變電路與三相全橋 MiniSKiiP模塊，應用參數如表1所示。選擇兩個額定電流為35A的模塊進行比較。這種規格的模塊適用于5.5-11kW范圍內的工業電機驅動器，具體取決于所考慮的過載情況。

表1: 仿真工況參數

我們使用賽米控丹佛斯成熟的第五代仿真工具SemiSel進行仿真比較。在一個MiniSKiiP模塊上涂抹高性能導熱膏(HPTP)，并安裝到強制風冷散熱器上，假設環境溫度為45°C。逆變電路如表1所示參數下工作，并計算結溫。基于前面的討論，為了取得與第7代IGBT相似的dv/dt， RGA IGBT選擇了更高的柵極開通電阻。選擇一個電流，使得結溫在最高的開關頻率為125°C。由于功率循環的壽命問題，在電機驅動應用中認為該溫度是衡量模塊連續輸出能力的典型限制。仿真所得到的結溫和效率與頻率的關系如圖7所示。

圖7: 仿真的結溫和效率

在相同的工作條件下，計算出的RGAIGBT結溫平均比第7代IGBT低6K（圖7的實線）。這主要是由于優化了RGA IGBT的芯片尺寸，導致從芯片到散熱器的熱阻降低14%。較低的結溫可以降低功率模塊的熱機械應力，并可以增加功率循環的壽命。例如采用RGAIGBT達到了與第7代IGBT的相同結溫，則可以降低對散熱的要求。例如，降低散熱器成本或降低風扇速度。

因為低開關頻率下，導通損耗占據主要部分，所以RGA在高溫下較高的正向壓降影響了效率。相反，由于RGA的開通損耗較小，這使其在較高的開關頻率上具有效率優勢。然而，在給定的應用實例中，兩種芯片的模塊效率在1...10kHz范圍內基本相同（圖7中的虛線）。

另外，我們有望利用RGA優越的熱性能，在相同的封裝中獲得更大的輸出電流。另一個熱仿真表明，在1...10kHz范圍內，RGAIGBT能夠比第7代IGBT的輸出電流高2...9%，代價是效率略有下降。

短路特性

芯片尺寸變小的總體趨勢降低了現代IGBT芯片的散熱性能，所以跟以往的IGBT芯片相比，其短路能力也有所下降。在目前的單脈沖短路測試標準中，1200V RGA IGBT在800VDC，150°C的短路時間tpsc為8μs，這跟第7代IGBT是一樣的。RGAIGBT的高di/dt意味著它在短路時也會達到高的峰值電流，超過ICnom的5倍。盡管如此，關斷特性仍然是可控的，沒有任何高頻振蕩。

耐濕度的魯棒性

隨著功率變換器的新應用擴展到全球各地，更多的功率半導體器件可能會受到高濕度環境的影響。基于器件失效模式的理解，這一點推動了功率半導體行業進行更嚴苛的可靠性測試。特別是，高電壓、高濕度、高溫反向偏壓（HV-H3TRB）測試已經成為衡量長期耐濕魯棒性的標準。該測試通過在85°C環境溫度和85%相對濕度的測試室中施加80%的額定阻斷電壓（例如960VDC），對IGBT芯片的邊緣施加壓力。器件的評估是在不超過給定阻斷電壓的漏電流限制下，它們能承受多少個小時（如168/504/1000小時）。賽米控丹佛斯的測試表明，RGA IGBT可以滿足1000小時的最低要求，這使它與第7代IGBT處于同一級別。

應用

賽米控丹佛斯可以提供1200V RGA IGBT，其額定電流等級從10A到150A。考慮到RGA芯片對電機驅動應用的適用性，這個范圍意味著MiniSKiiP系列是模塊應用上的理想選擇。無底板、彈簧壓接的MiniSKiiP已經廣泛應用于全球電機驅動市場，并始終配備最新一代的IGBT芯片。因此，對該產品來說，有一個替代的IGBT芯片來源以使供應鏈多元化是很重要的。我們提供統一高度的MiniSKiiP封裝系列（圖8），在市場上也有多源封裝，使其成為制造商不錯的選擇。首批配備RGA的MiniSKiiPs將采用三相全橋（"AC"）和整流-剎車-逆變（"NAB"）拓撲結構，允許對配備第七代IGBT的模塊進行引腳兼容的替換。可以提供MiniSKiiP預涂高性能導熱硅脂（HPTP）仿真比較中使用的就是這種相同的導熱硅脂。

圖8: 裝配RGA的 MiniSKiiP1/2/3

對于壓接/焊接的版本，我們提供的行業標準封裝SEMITOP E也配備了RGA，并與現有的第7代IGBT模塊引腳兼容。這個封裝系列（圖9）也將提供三相全橋（"GD"）和整流-剎車-逆變（"DGDL"）拓撲。SEMITOP E封裝與其他工業標準產品完全兼容，同時它還有一個優勢，那就是集成安裝片而不是金屬夾。這增加了安裝壓力，從而降低了熱阻。卓越的增強型壓接針具有內部應力消除功能，以提高機械安裝的堅固性。

圖9: 裝配RGA的SEMITOP E1/E2

SEMITOP E可提供預涂HPTP或賽米控丹佛斯獨家新的高性能相變材料（HP-PCM），以便在組裝時易于處理。1200V RGA IGBT在功率模塊型號中將以"12RA"命名：例如，額定電流為35A的MiniSKiiP CIB模塊將被命名為SKiiP 24NAB12RAV1。

總結

電力電子行業供應狀態在逐漸恢復到正常水平，并從近幾年的供應問題中學習改進。很明顯，要供應真正的"多源"的功率模塊，半導體芯片和模塊供應都需要多元化。對于在低功率范圍內使用的1200V第7代IGBT，現在可以從一個靠譜的制造商那里獲得可靠的替代品來解決這個問題。羅姆的1200VRGA IGBT是第7代IGBT的完美替代品，采用小柵極電阻，可以得到跟第7代IGBT非常相似的性能。導通損耗的微小差異完全被改進的散熱性能所彌補。這使得1200VRGA IGBT在應用中的性能與相同規格模塊封裝中的最新的7代IGBT完全相當。1200VROHM RGA IGBT具有濕度、短路和溫度穩定性，當它封裝在賽米控丹佛斯功率模塊中時，它是一個非常可靠的選擇。

賽米控—丹佛斯簡介

賽米控丹佛斯致力于打造電力電子領域的全球技術領導者。我們的產品包括半導體器件、功率模塊、模組和系統。

當今世界正處在電氣化的大趨勢中，賽米控丹佛斯的技術比以往任何時候都更加重要。我們致力于為汽車、工業和可再生能源應用領域提供創新性解決方案，幫助世界更高效、更可持續地使用能源，顯著降低碳排放，以應對氣候變化。

我們積極投資于創新、技術、產能和服務。在服務客戶、為其提供行業最佳性能的同時，實現員工的發展，攜手打造可持續的未來。

審核編輯：湯梓紅