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英飞凌第 4 代 IGBT 芯片技术 -IGBT4

英飞凌第 4 代 IGBT 芯片技术 -IGBT4. IGBT4. IGBT3. IGBT4 ：基于 IGBT3 技术的性能优化. 沟槽栅. 降低饱和电压，维持开关速度. 场终止层. 减小芯片厚度，降低饱和电压. 共同的优点 ： 饱和电压正温度系数 短路承受时间 10 μ s 饱和电压低. 小功率版 IGBT4–T4 为小、中功率应用优化设计 在 T3 的基础上 - 提升开关速度 - 使关断波形更平滑一些 电压等级： 1200V 适用开关频率： ≤ 20kHz 用于小、中功率模块 配用小功率 EmCon4 二极管.

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英飞凌第 4 代 IGBT 芯片技术 -IGBT4

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  1. 英飞凌第4代IGBT芯片技术-IGBT4

  2. IGBT4 IGBT3 IGBT4：基于IGBT3技术的性能优化 沟槽栅 • 降低饱和电压，维持开关速度 场终止层 • 减小芯片厚度，降低饱和电压 • 共同的优点： • 饱和电压正温度系数 • 短路承受时间10μs • 饱和电压低

  3. 小功率版IGBT4–T4 • 为小、中功率应用优化设计 • 在T3的基础上 - 提升开关速度 - 使关断波形更平滑一些 • 电压等级：1200V • 适用开关频率：≤ 20kHz • 用于小、中功率模块 • 配用小功率EmCon4二极管 中功率IGBT4–E4 • 为中、大功率应用优化设计 • 在E3的基础上 • - 提升开关速度 • - 使关断波形更平滑一些 • 电压等级：1200V，1700V • 适用开关频率：≤ 8kHz • 用于中、大功率模块 • 配用中功率EmCon4二极管 大功率IGBT4–P4 • 为大功率应用优化设计 • 在E3的基础上 - 使关断过程“柔软” - 降低关断速度 • 电压等级：1200V，1700V • 适用开关频率：≤ 3kHz • 用于大功率模块 • 配用大功率EmCon4二极管 IGBT4：基于IGBT3技术的性能优化 分别针对小、中、大功率应用而优化设计的三个IGBT4版本

  4. IGBT4（1200V）：特征参数的调整 P4 IGBT2–DLC IGBT3–E3 IGBT2–DN2 E4 IGBT3–T3 开关能耗 IGBT2–KS4 -15% Eoff T4 -20% Eoff 饱和电压 T4-小功率版IGBT4：开关能耗低于T3 （提高了开关速度） E4-中功率版IGBT4：开关能耗低于E3 （提高了开关速度） P4-大功率版IGBT4：开关能耗高于E3 （降低了关断速度，使关断“柔软”）

  5. / us IGBT4（1200V）：小功率版T4 • 关断过程对比：T4的波形比T3的平滑一些 测试条件：Ls=200nH（极大），Ic=150A（Ic,nom=300A），Vdc=400V/450V/500V，Tj=25C

  6. E3 E4 E4 800V 900V IGBT4（1200V）：中功率版E4 • 关断过程对比：E4的波形比E3平滑一些 测试条件：Ic=Ic,nom=450A，Vdc=800V/900V（仅供测试），Tj=25C

  7. 1200A 300V 1176V 1200A 800V IGBT4（1200V）：大功率版P4 • 关断过程对比：P4（及EmCon4）呈现明显的“柔软”性 E3 P4 IGBT关断 EmCon4 EmConFAST 二极管关断 I=1/10 Inom Tj=Tvjmax

  8. IGBT4的软特性和软开关的区别 • 软特性： 与IGBT3相比，IGBT4的关断特性更软，关断震荡更小。这是由于工艺的改良，特别的焊线的改良，内部杂散电感减小，减小了开通和关断的电压电流震荡。在此基础上，针对功率不同，做了更好 的处理。 1 小功率场合，关断速度更快，关断的尖峰电压会更高，但是关断的震荡减小平滑，关断损耗减小。 2 在中大功率场合，根据关断电流非常大的特点，关断更柔软，关断尖峰电压降低。 • 软开关： 在焊接电源等很多运用场合，会提到软开关的概念。注意，软开关和IGBT的软特性是不同的两个概念。 软特性是专指IGBT本身特性的。 软开关是指运用外部控制策略或者电路特性，使IGBT零电压零电流开通或者关断，减小IGBT的开关损耗，开关过程与管子本身的特性关系不大，但是导通损耗还是建立在IGBT本身特性基础上。

  9. IGBT4模块：Tvjop,max =150C！ • 概念：在开关工作条件下，IGBT4模块的最高允许结温规格为150C，比IGBT3/IGBT2模块（1200V和1700V）的规格提高25C！ • 出发点：适应芯片小型化（Rthjc，Tjc[=PLossRthjc]） • 实现：IGBT4模块内部焊线工艺的改进 • 可靠性因素：焊线工艺决定了模块的可靠性指标之一-功率循环（PC）次数。PC次数与结温有关，在相同的结温摆幅下，结温越高，PC次数越低。要提高结温规格，必须改进焊线工艺，才能保证模块用于更高的结温时，其PC次数（使用寿命）不减。 • 结果：1）IGBT4模块的可靠性（PC次数）大幅增加 2）IGBT4模块的电流输出能力增大（应用功率） 3）以较小的封装尺寸实现相同的电流规格（功率密度）

  10. IGBT4模块的可靠性：功率循环（PC）次数 标准模块-IGBT4 IGBT4模块的150C最高允许工作结温，源于内部焊线工艺的改进，使其可靠性指标-功率周次（PC）数大幅增加！ 标准模块-IGBT2/IGBT3 Tj变化幅度40C时的PC能力对比

  11. IGBT4模块（小、中、大功率） 12W1(W2,K,M)T4 12K(I)E4，17IE4 12I(H)P4，17HP4 Easy-2B (W2) Easy-1B (W1) EconoPACK+ (K) Econo-3 (K) Econo-2 (K) PrimePACK (I) 62mm (K) EconoDUAL2 (M) IHM-B (H) 62mm (K) PrimePACK (I)

  12. 小功率Econo-模块：T4对比T3（应用功率） IPOSIM仿真：最大安全输出电流-开关频率 FP75R12KT4/KT3 • 仿真条件 • 结温: - KT4（红）：150C - KT4（蓝）：125C - KT3：125C • Vdc: 600V • 输出频率: 50Hz • 调制比: 1.0 • 功率因素: 0.85 • 散热器Rth：0.1K/W • 环境温度: 40C 最大安全输出电流有效值（A） T4模块的150C最高允许工作结温使其电流输出能力显著增加！ 开关频率（Hz）

  13. 中功率62mm模块：T4对比T3（应用功率） IPOSIM仿真：最大安全输出电流-开关频率 FF300R12KT4/KT3，FF400R12KT3 • 仿真条件 • 结温: - KT4（红）：150C - KT4（蓝）：125C - KT3：125C • Vdc: 600V • 输出频率: 50Hz • 调制比: 1.0 • 功率因素: 0.85 • 散热器Rth：0.03K/W • 环境温度: 40C 最大安全输出电流有效值（A） T4模块的150C最高允许工作结温使其电流输出能力显著增加！ 开关频率（Hz）

  14. 中功率62mm模块：E4对比E3（应用功率） IPOSIM仿真：最大安全输出电流-开关频率 FF300R12KE4/KE3，FF400R12KE3 • 仿真条件 • 结温: - KE4（黑）：150C - KE4（蓝）：125C - KE3：125C • Vdc: 600V • 输出频率: 50Hz • 调制比: 1.0 • 功率因素: 0.85 • 散热器Rth：0.03K/W • 环境温度: 40C 最大安全输出电流有效值（A） E4模块的150C最高允许工作结温使其电流输出能力显著增加！ 开关频率（Hz）

  15. 小功率Econo-模块：T4对比T3（功率密度） IPOSIM仿真：最大安全输出电流-开关频率 FP50R12KT4/KT3，FP100R12KT4/FS100R12KT3 • 仿真条件 • 结温: - KT4：150C - KT3：125C • Vdc: 600V • 输出频率: 50Hz • 调制比: 1.0 • 功率因素: 0.85 • 散热器Rth： - 黑/红：0.07K/W - 蓝/绿：0.1K/W • 环境温度: 40C 最大安全输出电流有效值（A） T4模块的150C最高允许工作结温实现功率密度的提升！ 开关频率（Hz）

  16. 中功率EconoDUAL2/62mm模块：T4对比T3（功率密度）中功率EconoDUAL2/62mm模块：T4对比T3（功率密度） IPOSIM仿真：最大安全输出电流-开关频率 FF150/200R12MT4，FF150R12KT3G，FF200R12KT3 • 仿真条件 • 结温: - MT4：150C - KT3/KT3G：125C • Vdc: 600V • 输出频率: 50Hz • 调制比: 1.0 • 功率因素: 0.85 • 散热器Rth：0.05K/W • 环境温度: 40C 最大安全输出电流有效值（A） T4模块的150C最高允许工作结温实现功率密度的提升！ 开关频率（Hz）

  17. FP75R12KT4 150 FP75R12KT3 140 125 115 115 温度 C 90 90 65 65 40 40 21 27 34 42 53 0 5 11 16 21 27 34 42 0 5 11 16 输出电流有效值（A） 输出电流有效值（A） 结温 壳温 散热器温度 小功率Econo-模块：T4对比T3 (@ 8kHz) • 仿真条件 • 开关频率: 8kHz • Vdc: 600V • 输出频率: 50Hz • 调制比: 1.0 • 功率因素: 0.85 • 散热器Rth：0.1K/W • 环境温度: 40C • 与相同电流规格、相同封装的T3（小功率Econo-）模块相比 • 如工作电流相同：T4模块的散热器温度和壳温较低（损耗较小），结温也较低。 • 如达到相同的散热器温度或壳温：T4模块的输出电流较大。 • 如应用功率相同：T4模块的散热器尺寸可减小，开关频率可提高。 • 都达到结温极限时：T4模块的输出电流较大，散热器温度和壳温较高。

  18. FF300R12KT4 150 140 FF300R12KT3 125 115 115 温度 C 90 90 65 65 40 40 212 0 21 42 64 85 106 138 170 85 106 138 170 0 21 42 64 输出电流有效值（A） 输出电流有效值（A） 结温 壳温 散热器温度 中功率62mm模块：T4对比T3 (@ 8kHz) • 仿真条件 • 开关频率: 8kHz • Vdc: 600V • 输出频率: 50Hz • 调制比: 1.0 • 功率因素: 0.85 • 散热器Rth：0.03K/W • 环境温度: 40C • 与相同电流规格、相同封装的T3（中功率62mm）模块相比 • 如工作电流相同：T4模块的散热器温度及壳温相似（损耗相似），结温相似，但T4模块的安全裕度较大。 • 如应用功率相同：T4模块的散热器尺寸可减小，开关频率可提高。 • 都达到结温极限时：T4模块的输出电流较大，散热器温度和壳温较高。

  19. FF300R12KE4 150 140 FF300R12KE3 125 115 115 温度 C 90 90 65 65 40 40 212 0 21 42 64 85 106 138 170 85 106 138 170 0 21 42 64 输出电流有效值（A） 输出电流有效值（A） 结温 壳温 散热器温度 中功率62mm模块：E4对比E3 (@ 8kHz) • 仿真条件 • 开关频率: 8kHz • Vdc: 600V • 输出频率: 50Hz • 调制比: 1.0 • 功率因素: 0.85 • 散热器Rth：0.03K/W • 环境温度: 40C • 与相同电流规格、相同封装的E3（中功率62mm）模块相比 • 如工作电流相同：E4模块的散热器温度及壳温相似（损耗相似），结温相似，但E4模块的安全裕度较大。 • 如应用功率相同：E4模块的散热器尺寸可减小，开关频率可提高。 • 都达到结温极限时：E4模块的输出电流较大，散热器温度和壳温较高。

  20. FP50R12KT4 150 140 FP50R12KT3 125 115 115 温度 C 90 90 65 65 40 40 35 0 4 7 11 14 18 23 28 11 14 18 23 28 35 0 4 7 输出电流有效值（A） 输出电流有效值（A） 结温 壳温 散热器温度 小功率Econo-2/3模块：T4对比T3 (@ 8kHz) • 仿真条件 • 开关频率: 8kHz • Vdc: 600V • 输出频率: 50Hz • 调制比: 1.0 • 功率因素: 0.85 • 散热器Rth：0.03K/W • 环境温度: 40C • 与相同电流规格、Econo-3封装的T3模块相比 • 如工作电流相同：Econo-2封装的T4模块散热器温度和壳温较高（损耗较高），结温较高，但安全裕度较大。 • 如应用功率相同：Econo-2封装的T4模块可替代Econo-3封装的T3模块，散热器温度和壳温的检验标准（或过温保护点）应相应提高。 • 都达到结温极限时：Econo-2封装的T4模块输出电流较大，散热器温度和壳温较高。

  21. FF200R12MT4 150 140 FF200R12KT3 125 115 115 温度 C 90 90 65 65 40 40 141 0 14 28 42 57 71 92 113 57 71 92 113 0 14 28 42 输出电流有效值（A） 输出电流有效值（A） 结温 壳温 散热器温度 中功率EconoDUAL2/62mm模块：T4对比T3 (@ 8kHz) • 仿真条件 • 开关频率: 8kHz • Vdc: 600V • 输出频率: 50Hz • 调制比: 1.0 • 功率因素: 0.85 • 散热器Rth：0.03K/W • 环境温度: 40C • 与相同电流规格、62mm封装的T3模块相比 • 如工作电流相同：EconoDUAL2（MT4）模块散热器温度和壳温较高（损耗较高），结温较高，但安全裕度较大。 • 如应用功率相同： MT4模块可替代62mm的T3模块，散热器温度和壳温的检验标准（或过温保护点）应相应提高。 • 都达到结温极限时： MT4模块输出电流较大，散热器温度和壳温较高。

  22. 英飞凌第四代IGBT芯片技术-小结 • IGBT4 • 基于沟槽栅+场终止结构，1200V和1700V； • 1200V三个优化版：小功率版T4、中功率版E4、大功率版P4； • P4实现软关断特性的明显提升，关断时电压尖峰小，无振荡； • T4和E4提高关断速度，开关频率较高时输出能力优于T3和E3； • 与反向恢复特性更“柔软”的EmCon4二极管合用； • 饱和电压正温度系数，10μs短路承受时间不变

  23. 英飞凌IGBT4模块-小结 • 基于焊线工艺改进，模块最高允许工作结温为150C，使模块可靠性大大增加，同时提升最大安全工作电流能力。 • 与相同电流规格、相同封装的IGBT3模块相比 • 如工作电流相同：IGBT4模块的散热器温度、壳温和结温较低（小功率Econo-模块）或相似（中功率模块），安全裕度较大。 • 如应用功率相同：IGBT4模块的散热器尺寸可减小，开关频率可提高。 • 都达到结温极限时：IGBT4模块的输出电流较大，散热器温度和壳温较高。  在散热条件不变的情况下，要充分利用IGBT4的能力，须允许有较高的散热器温度和壳温。 • 如用大一些的散热器：IGBT4模块可提升应用功率等级（散热器温度和壳温不变）。 • 与相同电流规格、较大封装的IGBT3模块相比（Econo-2/3，EconoDUAL2/62mm） • 如工作电流相同：IGBT4模块的散热器温度和壳温较高，结温较高，但安全裕度较大。 • 如应用功率相同：IGBT4模块可替代较大封装的IGBT3模块，但散热器温度或壳温的检验标准（或过温保护点）应相应提高。 • 都达到结温极限时：IGBT4模块的输出电流较大，散热器温度和壳温较高。 在散热条件不变的情况下，要充分利用IGBT4的能力，须允许有较高的散热器温度和壳温。

  24. 与T3产品对应的替代 • EasyPIM封装 (第四代还有比第三代更多的型号） FP10R12WIT3 --FP10R12W1T4 FP15R12W1T3 --FP15R12W1T4 Easypack封装 (封装的形式还是有区别，第四代有更大功率等级的型号） FS25R12YT3 -- FS25R12W1T4 FS35R12YT3 -- FS35R12W1T4 EconoPIM （封装管脚可能存在差别） FP40R12KT3/FP40R12KT3G -- FP35R12KT4/FP35R12KT4_B11 FP50R12KT3 -- FP50R12KT4 / FP50R12KT4_B11 FP75R12KT3 -- FP75R12KT4 / FP75R12KT4_B11 EconoPACK: FS50R12KT3 -- FS50R12KT4_B15/ FS50R12KT4_B11 FS75R12KT3/G -- FS75R12KT4_B15/ FS75R12KT4_B11 FS100R12KT3 -- FS100R12KT4G_B11 FS150R12KT3 -- FS150R12KT4_B11

  25. 与T3产品对应的替代 • EconoPACKTM+ FS225R12KE3 -- FS225R12KE4 FS300R12KE3 -- FS300R12KE4 FS450R12KE3 -- FS450R12KE4 FS225R17KE3 -- FS225R17KE4 FS300R17KE3 -- FS300R17KE4 FS450R17KE3 -- FS450R17KE4 EconoDUALTM FF225R12ME3 -- FF225R12ME4 FF300R12ME3 -- FF300R12ME4 FF450R12ME3 -- FF450R12ME4 FF150R12MS4G -- FF150R12MT4 FF225R17ME3 -- FF225R17ME4 FF300R17ME3 -- FF300R17ME4 FF450R17ME3 -- FF450R17ME4

  26. 与T3产品对应的替代 • IHM FZ1200R12KE3 -- FZ1200R12HP4 FZ1600R12KE3 -- FZ1600R12HP4 FZ2400R12KE3 -- FZ2400R12HP4 FZ3600R12KE3 -- FZ3600R12HP4 FZ1200R17KE3 -- FZ1200R17HP4 FZ1600R17KE3 -- FZ1600R17HP4 FZ2400R17KE3 -- FZ2400R17HP4 FZ3600R17KE3 -- FZ3600R17HP4 FZ1200R17KE3_B2 -- FZ1200R17HP4_B2 FZ1600R17KE3_B2 -- FZ1600R17HP4_B2 FZ1800R17KE3_B2 -- FZ1800R17HP4_B2 FZ2400R17KE3_B2 -- FZ2400R17HP4_B2 FZ3600R17KE3_B2 -- FZ3600R17HP4_B2

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