background image

2

najnowsza

generacja

tranzystorów IGBT

produkcji Mitsubishi

mgr inż. Dariusz Gajda
mgr inż. Krzysztof Jaszewski

www.elektro.info.pl

6/2003

Różnica  między  strukturą

dotychczas  stosowaną  (rys. 1)
a strukturą CSTBT (rys. 2) po-
lega na tym, że w najnowszym
opracowaniu  została  dodana
dodatkowa warstwa magazynu-
jąca  typu  n  pomiędzy  bazą  p
a warstwą typu n-. Funkcją, ja-
ką  spełnia  dodatkowa  bariera,
jest  tamowanie  wstrzykiwania
dziur  z warstwy  p+,  czego
efektem  jest  zwiększenie  kon-
centracji dziur po stronie emite-
ra.  Magazynowanie  dziur  spo-
wodowało  uzyskanie  równo-
miernego  rozkładu  gęstości
dziur po stronie katody i anody
(rys.  3)  oraz  korzystniejszy

S

truktura  CSTBT  łączy
w sobie  zalety  struktury
3 generacji  i struktury

typu Trench przy jednoczesnym
wyeliminowaniu wad, które po-
siadały w/w struktury. 

Struktura CSTBT charaktery-

zuje się:

!

utrzymaniem  lepszego  kom-
promisu między energią wyłą-
czenia  Eoff  a napięciem  na-
sycenia V

CE(sat)

w porównaniu

do serii „F” (Trench),

!

zredukowaną  pojemnością
wejściową bramki, 

!

redukcją prądu zwarciowego, 

!

pozytywnym  współczynni-
kiem temperaturowym,

Mitsubishi Electric jako jeden

z przodujących producentów

tranzystorów IGBT, na przełomie 

maja i czerwca 2003 r.,

zaprezentował następną

generację chipów IGBT – CSTBT

(Carrier Stored Trench Gate

Bipolar Transistor).

Rys. 1 Konwencjonalna struktura tranzystora IGBT typu TRENCH

CARRIER STORED TRENCH GATE BIPOLAR TRANSISTOR (CSTBT)

 

Rys. 2 Najnowsza struktura IGBT typu CSTBT

 

background image

3

6/2003

www.elektro.info.pl  

kompromis  pomiędzy  napię-
ciem  nasycenia  V

CE(sat)

a ener-

gią wyłączenia Eoff (rys. 4). 

Następną  innowacyjną  ce-

chą struktury CSTBT jest moż-
liwość  blokowania  poszczegól-
nych kanałów (PCM – Plugging
Cell Merged), które znajdują się
wewnątrz chipu (rys. 5). 

Blokowanie  poszczególnych

kanałów  (PCM)  w strukturze
zaprojektowano  jako  nową  te-
chnologię  kontrolowania  prądu
obwodu zwarciowego I

CE(sat)

bez

konieczności podwyższania na-
pięcia nasycenia V

CE(sat)

.

Dzięki  zastosowaniu  tej  no-

wej  technologii  nie  ma  potrze-
by  stosowania  zewnętrznego
obwodu blokującego prąd zwar-
cia RTC (Real Time Control).

Możliwość  blokowania  po-

szczególnych kanałów pozwala
na  kształtowanie  charaktery-
styk  tranzystorów  IGBT  w za-
leżności  od  aplikacji  i tworzyć
chipy o różnym napięciu nasy-
cenia co pozwala uzyskać tran-
zystory  IGBT  o niskim  V

CE(sat)

i częstotliwości 

pracy 

do

20 kHz  lub  wyższym  V

CE(sat)

i wysokiej  częstotliwości  pracy
60 kHz (rys. 6).

Te  dwie  unikatowe  techno-

logie  (rys. 7)  zastosowane  do
stworzenia  nowej  struktury
półprzewodnikowej CSTBT zo-
stały opatentowane przez kon-
cern Mitsubishi Electric i przy-
czyniły  się  do  stworzenia  na-

stępnej  generacji  modułów
IGBT.

Najnowsza piąta już genera-

cja  modułów  IGBT,  oparta  na
nowych strukturach CSTBT zo-
stała  wprowadzona  na  rynek.
Moduły te posiadają następują-
ce cechy:
1. Niskie  napięcie  nasycenia

V

CE(sat)

; Niską energię włącze-

nia  E  (on)  i wyłączenia  E
(off).

2. Wysoką  odporność  zwarcio-

wą (bez układu RTC). 

3. Zredukowaną 

pojemność

bramki. 

4. Niską indukcyjność połączeń

wewnętrznych (rys. 8.)

5. Doskonałą rezystancję termicz-

ną przez zastosowanie jako ce-
ramicznej  warstwy  izolacyjnej
azotku aluminium.

6. Zwiększoną  wytrzymałość  na

cykle temperaturowe ∆Tc obu-
dowy (rys. 10) poprzez kontro-
lowanie  grubości  spoiwa  mię-
dzy  podstawą  a ceramiczną
warstwą  izolacyjną  (rys.  9a,
9b).

7. Zdecydowanie  lepszą  wy-

trzymałość  na  cykle  tempe-
raturowe ∆Tj struktury przez
nową  technologię  połączeń
drutowych (rys. 11)

dlaczego seria A?

Do chwili obecnej firma Mit-

subishi jako producent japoński

Rys. 3 Rozkład gęstości dziur

Rys. 4 Zależność pomiędzy V

CE(sat)

a Eoff

Rys. 5 Blokowanie kanałów w strukturze CSTB

Rys. 7 Dwie unikatowe technologie zastosowane przez Mitsubishi

Rys. 6 Przykładowa charakterystyka modułu 300 A/1200 V

background image

4

www.elektro.info.pl

6/2003

określa  rezystancję  termiczną
Rth  (j-c)  i Rth  (c-f)  zgodnie
z normami 

obowiązującymi

w tym kraju. Norma ta ustana-
wia punkt pomiaru temperatu-
ry  obudowy  i radiatora  przy

krawędzi modułu, co pokazano
na  rysunku  12a.  Pomiar  tej
temperatury  staje  się  przez  to
bardzo prosty również dla uży-
tkownika, lecz przez to Rth (j-c)
i Rth (c-f) jest większe niż przy

zastosowaniu pomiaru zgodnie
z normami  europejskimi.  We-
dług norm europejskich punkty
pomiaru  ∆T  znajduje  się  pod
obudową  IGBT  (rys.  12b).
Wartości Rth (j-c) i Rth (c-f) są

mniejsze, lecz metoda pomiaru
jest bardziej skomplikowana. 

W związku  z powyższym

w 5. generacji modułów IGBT,
oprócz  podstawowej  serii  typu
NF, wyodrębniono serię typu A.

Rys. 10 Wytrzymałość na cykle temperaturowe obudowy

Rys. 8 Stosunek indukcyjności wewnętrznych połączeń modułów 5gen. do 3gen. = 1: 2

Rys. 9a W tradycyjnym procesie lutowania stosowanym w poprzednich ge-

neracjach, grubość lutu mogła się zmieniać

Rys. 9b W modułach 5 generacji zmiana grubości lutu b została ograniczona

poprzez zastosowanie prętów ograniczających

background image

W kartach  katalogowych  mo-
dułów tej serii, wartości Rth (j-c)
i Rth  (c-f)  zdefiniowane  są
zgodnie z normami europejski-
mi.  Pozwala  to  na  bezpośre-
dnie  porównanie  modułów
IGBT  produkcji  Mitsubishi
z modułami produkcji Europej-
skiej. 

!

Moduły  serii  A aktualnie  są
produkowane  na  napięcie
1200 V  w zakresie  prądo-
wym  od  100  A do  600 A,
w układzie pół mostka (tabe-
la 1).

!

Moduły serii NF dostępne są
w zakresach  wymienionych
w tabeli 2.

Ponadto Mitsubishi na bazie

nowej struktury CSTBT opraco-
wało moduły: 

!

wysokiej mocy – MEGA PO-
WER  DUAL  na  napięcie
1200 V, prądzie  900 A
i 1400 A  w układzie  pół
mostka tj. CM900DU-24NF,
CM1400DU-24NF

!

optymalizowane  do  pracy
przy częstotliwości 50 kHz.

Najnowsza technologia, jaka

została  zaprezentowana  przez
koncern Mitsubishi Electric, po-
zwoliła na wyprodukowanie no-
wych  modułów  IGBT  o klasę
lepszych od dostępnych dziś na
rynku  energoelektronicznym,
przy  jednoczesnym  znacznym
obniżeniu  ceny  w stosunku  do
konkurencji.  

"

5

6/2003

www.elektro.info.pl  

Rys. 11 Wytrzymałość na cykle temperaturowe złącza

Rys. 12a Seria H – tradycyjna definicja określenia Rth

(j-c) i Rth (c-f)

Rys. 12b Seria A – europejska definicja określenia Rth

(j-c) i Rth (c-f)

Tabela 2

Tabela 1