用基本的物理原理理解IGBT—并联均流不简单
1、因为并联,所以精彩
IGBT与FRD、晶闸管等无元胞器件相比,天生就是并联的。模块封装中更是需要多芯片并联。正是因为并联,才使得IGBT器件的功率容量得以扩展。可以说,没有并联,就不是IGBT。
但是这里面就牵扯到并联均流问题。
2、芯片越大越好?
有些人感觉把IGBT芯片做大一点,一颗顶两颗,这样就可以减少封装中的并联均流问题了。事实显然没有那么简单。 首先,IGBT芯片是很多个元胞组成的,按15um的元胞宽度,方形元胞估算,1平方厘米的芯片上大约有40万个元胞。这些元胞之间本身就是并联的,也存在均流问题。芯片面积增大后,芯片内部的均流问题也需要考虑。某个元胞的热电正反馈是芯片损坏的开始。 如果芯片内部总是均流的,IGBT的电流能力将远超额定电流。做过仿真的应该注意过,对单个元胞进行仿真,随便你提高关断电压、寄生电感,元胞都是不会损坏的,而且随便一个设计都可以实现SSCM。对,就是ABB提出的那个开关自钳位模式。电压过冲达到一定值后,关断电流di/dt将因动态雪崩而下降,使VCE被钳位。 这就是均流的力量。现实中的IGBT,几乎一切与大电流相关的损坏都来自于均流问题。所以,芯片内部的均流也是非常重要的。 此外,芯片制造过程中总有缺陷,有良率问题。不管大芯片还是小芯片,都是一个致命缺陷就会失效。单芯片面积越大,良率自然越低。晶圆加工中剩余的边角料也会浪费更多。
所以,增大芯片面积,既有均流设计问题,也要考虑生产线的工艺能力和成本。
3、栅电阻的等效
实际模块设计中,每个模块中可能有多个衬板,每个衬板上一般都会有一个衬板电阻。比如某1200A的模块有6个衬板,每个衬板上电阻为6欧。根据并联电阻的规律,这6个6欧的电阻,相当于模块外部接一个1欧的电阻。
事实上这两种处理是等效的吗?当然不是。因为模块布局中一定会有寄生参数,导致不同衬板与信号源之间的总阻抗不一样。引入衬板电阻后,可以减小不同衬板之间这方面的差异,改善均流问题。
同理,芯片的片上电阻与衬板电阻也是不能完全等效的。
那么芯片内部不同区块的均流问题,是不是要考虑呢?怎么处理呢?这个相信答案已经很清晰了。
均流问题包含的范畴实在太大,静态的,动态的,短路的。相对容易处理的是寄生参数导致的不均流的抑制,相对难的是芯片制造工艺的控制,还有一些从器件设计上需要考虑的。这些恐怕十篇也写不清楚。本身这个系列也是列举一些典型的点,剩下的留给有心的自己去思考了。
审核编辑 黄昊宇
- IGBT
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