基於平台技術的標準62毫米SEMITRANS®模組，由於針對IGBT和二極體採用了不同的半導體技術，因此適合於多種套用場合。採用標準尺寸模組外殼這一事實意味著用戶有更多可供選擇的供應商。新1200V系列模組為我們展示了外殼和半導體之間的匹配是多么的完美，該系列產品基於英飛凌的IGBT4技術和賽米控穩健可靠的新CAL4二極體。國內領先的IGBT技術研發公司山東金華信機電設備有限公司的IGBT中頻電源技術為各公司提供 IGBT技術。
1. 半導體開關中的IGBT和二極體
在電力電子裡半導體器件IGBT和二極體僅作為開關。
“理想的開關”必須滿足以下條件：
· 通態壓降Vd = 0，與當前導通電流無關
· 反向電流Ir = 0，直到最大允許反向電壓
· 開關損耗Psw = 0，與當前被切換的電流和直流母線電壓無關
· 熱阻Rth無足輕重，因為沒有損耗產生
然而，在實際的開關中，存在大量的正向和開關損耗。因而設計中的熱阻對模組性能來說是至關重要的。本文討論IGBT²、IGBT³以及SEMITRANS®模組採用的新IGBT4 半導體技術之間的區別，並展示在某些情況下新IGBT4技術所帶來的性能提升。
2. 晶片技術的進展
圖1顯示了基於英飛凌溝槽柵場截止（FS）IGBT4技術和賽米控CAL4續流二極體的新一代晶片的基本結構。
圖1：場漕柵場截止技術（FS） IGBT4和 CAL4 FWD的結構
IGBT4 基本上是基於已知的IGBT³溝槽柵結構並結合經最佳化的包含n—襯底、n-場截止層和後端發射極的縱向結構。與第三代IGBT相比，這將使總損耗更低，開關行為更為輕柔，同時晶片的面積也更小。此外，p/n結的最高結溫Tjmax從150°C升高至175°C。這將在靜態和動態過載情況下建立一個新的安全 裕度。IGBT4系列產品的特點是有一個為高、中、低功率套用而最佳化的縱向結構；開關性能和損耗適用於給定的功率等級。這裡所展示的結果集中在中等功率范 圍（50A-600A）的套用，採用的是低電感模組，開關速率在4-12kHz之間（這相當於IGBT4L）。
當在更高電流密度情況下使用新一代IGBT，具有高電流密度的續流二極體也是需要的，尤其是對那些具 有最大晶片封裝密度的模組。基於這個原因，在現有CAL（可控軸向長壽命）二極體技術的基礎上開發了新的CAL4續流二極體，其特點在於對任何電流密度的軟開關性能，耐用度（高di/dt）以及低反向恢復峰值電流和關斷損耗。CAL4 FWD的基本結構只是背面帶有n/n+結構的薄n---襯底（圖1b）。為了減少產生的損耗，n緩衝層被最佳化，採用較薄n+晶圓，活動表面積增大（即小邊 結構），縱向載流子壽命被最佳化。因此，新的，經過改進的CAL4二極體是很出色，除了電流密度提高了30%，其正向電壓更低及切換損耗也與上一代相類似 （CAL3，Tjop =常數)。為增加p/n結的最高結溫至175°C，使用了新的邊緣端鈍化. 受益於上述的最佳化工作，CAL4 FWD是第四代IGBT套用的完美匹配。
新一代晶片擴大了的溫度範圍-175°C（Tjmax）在適當的可靠性試驗中進行了驗證（例如：柵應力，高溫反偏（HTRB），高濕高溫反偏（THB）測試。
表1顯示了英飛凌的3個主要IGBT技術系列的最重要的專用參數，正如1200V SEMITRANS®模組所使用的。
為使數據具有可比性，表2中所有的開關損耗（Esw）均為結溫Tj=125°C時的數據。而IGBT4模組的數據手冊中的值為Tj=150°C時的數據。VCEsat值給定的是晶片級的，相應的端子級會更高，因為端子上有壓降。
3. 模組外殼的要求
表2顯示了SEMITRANS®模組外殼的主要參數和這些參數對最終產品性能所產生的影響的詳細信息。
表2：模組外殼屬性及所產生的影響
3.1 端子電阻
模組的端子電阻影響電路的工作效率。在圖2所示的例子中，導通損耗比SEMITRANS®高11%。這相當於一個每相絕對值約90W，三相共270W的功率變頻器。
圖2：高端子電阻的影響
3.2 熱阻
這一參數影響最大允許功率損耗，從而也影響模組中IGBT和二極體的最大允許的集電極電流。下列因素對決定熱阻的大小至關重要：
晶片尺寸（面積）
模組設計（焊接、陶瓷基板（DCB）、基板）
系統設計（導熱矽脂，散熱器）
不考慮半導體的成本，其通常會占到模組總成本的50%以上，外殼的選擇會對模組的額定電流產生巨大的影響。文獻[2] 描述了確定熱阻的過程。
3.3 絕緣強度
用於焊接半導體晶片的陶瓷基板的厚度和類型，以及軟模的特性在很大程度上影響SEMITRANS®模組的絕緣強度。
3.4 開關電感 LCE 及其實際效果
電感LCE對IGBT關斷時產生的過電壓來說是一個重要的參數，如以下公式所示：
在 實際中, 高電感與關斷期間所產生的高過電壓一樣，都是不利的。高電感意味著器件的最大反向電壓會很快達到。尤其在高直流母線電壓的情況下，更是如此。這些情況是可 能發生的，例如，通過甩負荷或在功率回饋模式下。當使用低電感模組時，可以實現高可靠性和最高效率。圖3顯示SEMITRANS® 3和與其作對比的不同形狀封裝“C”之間的差異。由於模組的電感小，SEMITRANS® 3 在晶片的最大反向電壓達到之前可切換的電流值要高30%。受益於主端子加上用於DCB的對稱並聯設計，SEMITRANS® 模組可實現低電感（請注意，依託模組電感，半導體晶片上實際產生的電壓永遠高於端子上產生電壓）。
圖3：模組電感對最大關斷電流的影響
3.5 並聯時晶片的對稱電流分布
SEMITRANS® 模組中，並聯了多達8個晶片（IGBT和二極體）（見表2）。二極體並聯尤其具有挑戰性，因為Vf的負溫度係數會降低額定電流. 為此，SEMIKRON開發了定製解決方案，滿足高功率套用（為靜態和動態功率分配進行了最佳化）及高直流環母線電壓套用（在關斷時動態過電壓限制)。進一 步信息可在文獻[1] 中找到。
3.6 多模組的並聯
對於幾個模組並聯的情況，功率降額必須儘可能低。此時，IGBT參數VCEsat的正溫度係數具有正面的影響. 對於二極體的情況，可以採取3.5中描述那些步驟。正如文獻[1] 中所定義的，SEMITRANS® 模組中降額係數介於90%和95%之間。
4. 展望未來
得益於採用了第四代溝槽柵IGBT和CAL二極體的新1200V模組，SEMITRANS® IGBT模組將能夠續寫其成功故事。
與同功率等級的其它模組相比，新系列模組所帶來的性能提升不僅取決於採用了新一代的晶片 而且還取決於低的端電阻和相對較低的雜散電感。SEMIKRON的SEMITRANS系列就是一個明顯的例子，通過完善模組技術參數，一代又一代的半導體晶片能夠持續享受成功。
節能號吹響 IGBT行業蘊藏巨大商機
國家能源局能源節約和科技裝備司巡視員陳世海在今年3月參加“2009能效機制建設國際論壇”時表示：“目前我國的總體能源利用效率為33%左右，比已開發國家低約10個百分點。當前我國節能工作面臨較大壓力。”
根據“十一五規劃”要求，到2010年中國的能源使用效率將在2005年基礎上提高20%。在新能源領域，中國已成為太陽能電池生產的第一大國，風力發電的累計裝機容量也連續4年實現翻番，這意味著中國新能源市場蘊藏著巨大的商機。
無論是太陽能電池、風力發電還是新能源汽車，其系統套用都需要把直流電轉換為交流電，承擔這一任務的部件稱為逆變器。逆變器的核心器件是IGBT(絕緣柵雙極型電晶體)，在國外，IGBT技術及產品不斷更新換代，而我國目前還不具備大批量生產IGBT的能力。
一位業內人士指出，當前節能減排不僅是國內的一大趨勢，更是國際經濟發展的一大主題，IGBT為逆變器最核心、價格最高的零部件之一，相對於全球而言我國需求量相對較小，當出現供應不足時，國外供應商往往集中供應國外需求量較大品牌，國內出現緊張局勢再所難免。根據他了解的情況，目前許多高壓變頻器企業常常出現IGBT不到位的現象，一旦缺貨企業生產出現停滯的“閒時”，待其得到補充，企業即刻進入緊張的“忙時”，過去企業往往採取訂單簽訂後才採購原材料，而現在不得不提前備貨，訂單面臨較大的考驗，非常考驗企業智慧。
