大功率器件IEGT的前世今生

　　歷史上東芝在中國因為家電聞名，上世紀八十年代的中國電視上最經典的東芝廣告 “Toshiba，Toshiba，新時代的東芝”幾乎家喻戶曉。東芝產品也以高品質著稱。

　　具備世界一流品質的東芝大功率半導體器件在工業領域也同樣有著悠久的歷史和良好的口碑，廣泛應用于“發電—輸配電—用電”的整個能源鏈。

東芝大功率器件

　　東芝大功率器件有悠久的歷史，從上世紀六十年代開始生產可控硅器件，上世紀八十年代在全球范圍內率先實現IGBT器件商業化，在上世紀九十年代率先商業化了壓接型的IGBT器件(PPI：Press Pack IGBT)，目前已經開發了混合型SiC大功率器件并且得到商業應用，后續將推出純SiC大功率器件。

　　PPI器件得益于東芝領先的技術和獨特的優勢，在日本和歐洲得到了許多客戶的青睞，目前在中國市場也得到越來越多的認可，是大功率器件的重要發展方向。

IEGT的來源

　　在上世紀九十年代，東芝率先通過柵極注入增強技術降低IGBT器件的靜態損耗，并且以柵極注入增強技術(Injection Enhanced Gate Transistor)的首字母注冊了東芝專屬的IGBT器件名稱——IEGT，IEGT可以理解為是東芝IGBT的專有名稱。

　　IEGT和IGCT器件是有著本質不同的。前者是電壓型器件、后者是電流型器件。IEGT的電路拓撲上不需要配置陽極電抗器和RDC-snubber電路。

IEGT的兩種封裝形式

PMI (Plastic case Module IEGT)

圖3 PMI(Plastic case Module IEGT)

　　PMI封裝是業界IGBT模塊比較常見的形式。

　　東芝的PMI封裝通過采用鋁碳化硅基板實現更好的散熱效果，采用高CTI(CTI=Comparative Tracking Index 相比漏電起痕指數)的材質實現更好的絕緣性。是可以應用于軌道交通牽引這樣的苛刻工況的。

PPI(Press Pack IEGT)

圖4 PPI(Press Pack IEGT)

　　PPI是東芝率先商業化的獨特封裝的IGBT器件。隨著中國市場對高可靠性、大功率密度IGBT需求的增長，PPI未來擁有越來越廣闊的市場。

　　東芝的PPI有如下特點：

　　1)高可靠性：因為器件雙面散熱并且內部芯片通過無引線的方式鍵合，所以功率循環壽命的表現優異;

　　2)功率密度大：單顆器件目前最大規格是 4.5KV/3KA，遠超PMI的4.5KV/1.2KA規格;

　　3)防爆性能優異：由于采用陶瓷外殼，器件的防爆能力遠超塑料外殼的PMI器件;

　　4)方便壓接使用：采用圓形封裝，便于壓力均勻傳導至器件內部每一顆芯片;

　　5)方便器件串聯：由于器件的上下側分別是發射級和集電極，從結構上和紐扣電池一樣方便多顆串聯。

PPI的結構

圖5 PPI外觀

　　如圖5所示，PPI器件的上側是器件發射極，下側是器件集電極，側面的陶瓷管殼上引出柵極端子和輔助發射極端子連接驅動板。器件外觀和傳統的晶閘管器件接近。

圖6 PPI剖解

　　如圖6所示，PPI器件內部包含了柵極引線PCB基板、半導體芯片、芯片保護樹脂隔板、鉬金屬片、柵極引腳插針。

圖7 PPI內部芯片

　　圖7展示了PPI內部的芯片，左側是快恢復二極管芯片，右側是IEGT芯片。IEGT芯片右上角的小正方形區域是柵極，通過柵極引腳插針連接到柵極引線PCB基板上從而匯聚至側面陶瓷管殼上的柵極端子。柵極引線PCB基板經過特殊設計以保證各個芯片的一致性。

圖8 PPI內部側視圖

　　圖8展示了PPI內部的側視圖，可以看出芯片是通過金屬鉬材料連接到發射極和集電極的銅基板上，并沒有通過焊接引線的方式連接芯片和器件外部電極端子，所以不存在PMI器件在長期熱循環工作后引線開裂、斷路的失效模式。

IEGT應用場景

　　基于IEGT優異的產品性能，廣泛應用在各種大功率驅動設備以及柔性直流輸電場景。

圖9 PMI部分應用示例

圖10 PPI 部分應用示例

　　基于PPI的高可靠性、高功率密度特性，已經成功用于多個柔性直流輸電重點工程：

圖11 PPI用于目前世界最高容量的柔性直流輸電工程(±350kV，1000MW)

PPI的應用支持

　　由于國內部分客戶對PPI器件不熟悉，可以提供壓接及功率單元組件的支持。我們可以展示PPI的應用注意事項、配套耗材(驅動板、散熱器、結構組件)的推薦供貨渠道以方便客戶快速完成新項目的設計工作。

圖12 MMC結構PPI組件

圖13 三電平結構PPI組件A

圖14 三電平結構PPI組件B

IEGT近期方向

　　東芝會繼續強化在PPI器件上的獨特優勢，繼續開發更大電流、更大電壓的產品。例如，在4.5kV/3kA器件相同的封裝下實現單顆器件4.5kV/4kA通流能力。客戶可以沿用以前的設計通過采用新一代的PPI實現產品的容量升級;在保持大電流能力的情況下實現單顆器件耐壓的升級。客戶可以使用更少的器件實現一樣的電壓等級產品。