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

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

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

∆

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