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    《Bodo’s功率系統(tǒng)》:岸容待臘將舒柳,山意沖寒欲放梅--國產(chǎn)自主技術(shù)芯片蓄勢突圍

    作為核心的功率開關(guān)器件之一,絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)結(jié)合了金屬氧化物半導體場效應晶體管(Metal-oxide Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)和雙極結(jié)型晶體管(BJT)的優(yōu)點,已在新能源汽車、智能電網(wǎng)、軌道交通、工業(yè)控制、通信電源、消費電子等領域的中高功率電力電子裝置中獲得廣泛的應用。

    作者:Bodo’s功率系統(tǒng)雜志編輯部

    1、最強功率半導體之IGBT及國內(nèi)領軍者

    IGBT是復合全控型功率半導體,驅(qū)動功率小且飽和電壓低,是電力電子裝置的CPU。自問世以來,通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新,IGBT器件結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)獲得了長足的進步,產(chǎn)品已經(jīng)歷了7代的發(fā)展。通過采用溝槽柵、場截止(FS)、輕穿通(LPT)、軟穿通(SPT)、載流子存儲(CS)層、浮空P型區(qū)、虛擬柵、微溝槽柵(MPT)、薄片加工、背面H離子注入等產(chǎn)業(yè)化技術(shù),器件的可靠性、應用頻率和功率損耗等均有了很大提升【1】

    據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院資料顯示,隨著近年來全球IGBT行業(yè)發(fā)展向好,市場規(guī)模也隨之逐年遞增。2021年,全球IGBT市場規(guī)模約為70.9億美元,同比增長6.6%。集邦咨詢(TrendForce)的數(shù)據(jù)也顯示,中國市場為39.6億美元,占比達到59%,是全球最大的IGBT市場。

    縱觀IGBT領域,幾乎被美國、歐洲及日本等企業(yè)壟斷。其重要原因在于,IGBT芯片的設計和制造以及IGBT模塊的設計、制造和測試,對人才、設備要求極高,是一個難以彎道超車的產(chǎn)業(yè)。而我國在該領域一直面臨“卡脖子”問題,雖然IGBT壁壘高,但國產(chǎn)功率半導體的唯一出路就是自主創(chuàng)新,尋求國產(chǎn)替代。

    作為中國本土企業(yè),沙龙365国际网站科技以自研IGBT技術(shù)為主要攻克方向,目前生產(chǎn)的是i20芯片組,優(yōu)于國際上主流的其它廠商的第4代芯片。且實測表明,與同行企業(yè)同樣規(guī)格的芯片相比,沙龙365国际网站科技的芯片功率為250A,性能提高10%以上。

    2沙龙365国际网站科技自研i20 IGBT核心技術(shù)橫空出世

    2.1、i20和d20芯片組簡介

    沙龙365国际网站科技已量產(chǎn)的i20 IGBT芯片和d20 FRD芯片單顆晶圓的電壓/電流為1200V/250A,各項性能達到或超過了國際領軍企業(yè)的同類產(chǎn)品。i20 IGBT芯片采用精細溝槽柵-場終止型(Fine Pattern Trench- Field Stop)結(jié)構(gòu),并通過N型增強層(N- Enhancement layer)、窄臺面(Narrow Mesa)、短溝道(Low Channel)、超薄基底(Ultra-thin base)、優(yōu)化P+(Optimized P+ LAYER)、先進3D結(jié)構(gòu)(Advanced 3D structure)等多項優(yōu)化設計,進一步改善IGBT導通飽和壓降和開關(guān)損耗折中性能,同時大大增加了電流可控性(di/dt controllability)和短路穩(wěn)健性。

    圖1:導損耗(VCE_on) 和關(guān)斷損耗Eoff的關(guān)鍵設計

    為了確保IGBT整體性能得到進一步發(fā)揮,沙龙365国际网站科技同時對IGBT配套續(xù)流二極管芯片d20也進行了優(yōu)化設計。通過先進的發(fā)射極注入效率管理(Advanced Emitter efficiency management)、優(yōu)化陽極擴散分布(Anode:Diffusion profile optimization)、陰極激光退貨工藝(Cathode:laser annealing)等技術(shù)實現(xiàn)較低的導通壓降和反向恢復損耗折中平衡,同時通過電子輻照壽命控制技術(shù)(Electron irradiation lifetime control)和薄基底調(diào)節(jié)(thin base thickness tuning)等技術(shù)實現(xiàn)d20信號高di/dt反向恢復特性且無振蕩,并優(yōu)化d20終端設計,進一步提高二極管動態(tài)穩(wěn)健性。

    圖2:二極管設計示意圖

    2.2、i20和d20開關(guān)特性測試

    為了驗證i20和d20芯片組開關(guān)特性優(yōu)越性,沙龙365国际网站科技在已經(jīng)量產(chǎn)的1200V 750A ED系列模塊SISD0750ED120i20上與行業(yè)國際領軍企業(yè)同款IGBT4的同平臺模塊進行了對比測試,需要說明的是IGBT4模塊目前最高結(jié)溫只有150℃。通過對比發(fā)現(xiàn)兩個模塊開通損耗基本相當,關(guān)斷損耗采用i20芯片組的ED模塊略高,但飽和導通壓降的ED模塊更低。基于d20芯片組ED模塊二極管與IGBT4具有相同的正向壓降,且能夠保持更低的反向恢復損耗,從測試來看采用i20和d20芯片組模塊要優(yōu)于國際領軍企業(yè)的同類第4代IGBT模塊。

    圖3:開關(guān)特性測試對比

    2.3、安全工作區(qū)測試

    IGBT短路安全工作區(qū)(SCSOA)

    i20芯片組具有出色的短路穩(wěn)健性,下圖圖4為ED模塊在175℃殼溫,800V母線電壓下測試得到的短路波形,短路電流只有額定電流的3倍左右,且短路波形無振蕩,模塊短路持續(xù)時間可達15us,為電路實時快速保護提供了保障。

    SC模式:> 15μs @ VGE=15V,VCE= 800V

    圖4:Tcase=175°C時短路故障模式

    IGBT反向偏置安全工作區(qū)(RBSOA)

    與IGBT可靠性相關(guān)的另一方面是器件的反向偏置安全工作區(qū),一般情況下模塊廠商給出的RBSOA邊界是額定電流的兩倍。為了測試i20芯片的RBOSA邊界,以確定破壞極限,沙龙365国际网站科技對器件從額定電流的兩倍開始,電流逐漸增加。測試發(fā)現(xiàn)i20芯片在大約3倍于標稱電流的情況下,器件可以安全關(guān)閉。當進一步增加電流,器件將達到飽和狀態(tài),此時器件依然可以正常關(guān)斷,大幅拓寬了RBSOA工作區(qū)。

    增加電流IC=1500A (=2.5倍標稱)2000A (>3倍),VDC=800V

    圖5:Tcase=175°C時短路故障模式

    二極管安全工作區(qū)(DSOA)

    二極管的安全工作區(qū)主要取決于二極管的開關(guān)特性。為了評估二極管的穩(wěn)健性,通過將外部柵極電阻Rgon減小到最小值,然后增加柵極電壓Vge,從而提高二極管的換向速度。對于選定的極端情況:750A的電流和900V的反向電壓,IGBT開通電壓21V,進行雙脈沖測試。實驗發(fā)現(xiàn):在175°C的外殼溫度下,二級管的峰值功率超過800kW,di/dt超過10kA/us,器件依然可以穩(wěn)定。選定的測試條件遠遠超出了任何數(shù)據(jù)表建議,進一步體現(xiàn)了沙龙365国际网站科技d20芯片組的高可靠性。

    I=750A,VR=900V,VGE_on=21V

    圖6:Tcase=175°C時短路故障模式

    2.4、逆變器效率對比仿真

    為了在系統(tǒng)應用層面驗證i20和d20芯片組的性能,將基于i20芯片組的ED型750A半橋模塊與競爭對手i4-600A和i7-750A兩款模塊分別在整流模式和逆變模式進行了對比仿真。性能曲線圖反映了逆變器輸出功率(或電流)與開關(guān)頻率的關(guān)系,仿真熱阻值取自數(shù)據(jù)表,而器件的靜態(tài)和動態(tài)損耗取自測量值。逆變工況下,ED-750A額定模塊在最壞的情況下比最先進的i7 740A模塊功耗低3%,當開關(guān)頻率直到3kHz時達到平衡。而與目前應用居多的i4-600A模塊相比,ED型模塊能夠提升超過10%的性能。在整流器模式下,沙龙365国际网站科技ED模塊的性能與最新的i7-750A模塊基本一致,相比i4-600A模塊相比,性能同樣可以提高10%以上。

    逆變模式:典型應用參數(shù):m=1,cos phi=1,Rth(h-a)=15K/kW,TA=40°C

     

    整流模式:典型應用參數(shù):m=1,cos phi=-1,Rth(h-a)=15 K/kW,TA=40°C

    圖7:在整流與逆變模式下的性能表現(xiàn) 

    3、國產(chǎn)自主芯片性能優(yōu)異獲市場青睞,沙龙365国际网站科技迎來銷售加速期

    以上通過開關(guān)特性測試,安全工作區(qū)測試以及逆變器效率對比仿真等發(fā)現(xiàn),沙龙365国际网站科技i20芯片組優(yōu)勢明顯,并在市場應用中,逐漸穩(wěn)住客戶。沙龙365国际网站科技繼續(xù)大力投入新產(chǎn)品研發(fā)和推廣,取得了令人矚目的成績。

    2021年6月,沙龙365国际网站科技具備國際一流水平、智能全自動的第一條IGBT模塊生產(chǎn)線竣工并實現(xiàn)量產(chǎn)。該生產(chǎn)線制造的ED封裝IGBT模塊系列產(chǎn)品已經(jīng)在數(shù)家電動汽車、風電、光伏及工業(yè)電控領域企業(yè)開展測試。

    2021年底,沙龙365国际网站科技自主研發(fā)的IGBT芯片,完成了首次(以晶圓形式)正式向新能源乘用車市場客戶批量交付。這標志著使用沙龙365国际网站i20技術(shù)的IGBT芯片,已經(jīng)獲得市場主流新能源汽車廠家的認可,開始進入批量銷售階段。

    2022年初,沙龙365国际网站科技與國內(nèi)光伏領域知名企業(yè)簽訂涉及數(shù)萬只ED封裝IGBT模塊的首個批量采購框架協(xié)議。在國外IGBT產(chǎn)品幾乎壟斷的集中式光伏發(fā)電領域?qū)崿F(xiàn)了國產(chǎn)突破。這也是沙龙365国际网站科技自主技術(shù)IGBT模塊的首個批量訂單,是取得客戶認可并開始批量銷售和應用的里程碑事件。

    圖8:沙龙365国际网站科技i20 IGBT芯片

    此外,公司碳化硅產(chǎn)品布局也正在啟動中,預計今年推出第一代碳化硅模塊。據(jù)悉,沙龙365国际网站研發(fā)的芯片和模塊技術(shù)將覆蓋電動汽車、新能源發(fā)電、工業(yè)電控等IGBT模塊市場。從中我們可以看出,沙龙365国际网站科技在IGBT芯片領域正在積極擴展自身的優(yōu)勢,并且還在不斷地前行,勢在完成國產(chǎn)化的使命,國產(chǎn)替代的曙光也在一步步地變得更加明亮。

    4、頂級研發(fā)陣容加持,國產(chǎn)IGBT突出重圍 

    IGBT領域技術(shù)難度大,其技術(shù)壁壘要求研發(fā)團隊擁有豐富的知識儲備和實踐經(jīng)驗。一直以來,沙龙365国际网站科技始終高度重視技術(shù)研發(fā),致力于成為國際領先的技術(shù)研發(fā)型企業(yè)。為此,沙龙365国际网站科技吸納了一大批在功率半導體領域有著優(yōu)秀業(yè)績和數(shù)十年實踐經(jīng)驗的行業(yè)領導者和研發(fā)人員。

    ABB半導體是電力電子器件行業(yè)的領軍企業(yè),其生產(chǎn)的IGBT等功率半導體器件專門應用于機車牽引,工業(yè)及能源傳輸?shù)刃枰呖煽啃缘念I域。沙龙365国际网站科技董事長和創(chuàng)始人項頡曾于1999年至2001年在瑞士ABB半導體總部工作。在此期間,他不但深入IGBT第一生產(chǎn)線的每個環(huán)節(jié),還參與了設計研發(fā)、項目管理、市場分析等多個崗位的工作,對于IGBT研發(fā)生產(chǎn)的整個環(huán)節(jié)有著深入的了解。

    圖9:沙龙365国际网站科技董事長、創(chuàng)始人 項頡

    項頡董事長帶領的IGBT專家團隊也以原ABB半導體技術(shù)團隊為主,團隊成員發(fā)表了眾多技術(shù)論文并擁有幾十項專利,真正具備了國際頂級技術(shù)實力和經(jīng)驗。

    如Roland Villiger先生,他在功率半導體技術(shù)領域有著優(yōu)異的高管管理業(yè)績和超過25年的行業(yè)經(jīng)驗。Dr Sven Matthias博士,發(fā)表IGBT相關(guān)學術(shù)論文25篇、擁有6項專利,對功率半導體設計開發(fā)、工藝制造具有極高的技術(shù)造詣和經(jīng)驗豐富。國內(nèi)方面的負責人張強先生,發(fā)表IGBT相關(guān)論文3篇、擁有3項專利,在IGBT工藝制造同樣具有豐富經(jīng)驗。

    像這樣的優(yōu)秀人才在沙龙365国际网站科技不勝枚舉,沙龙365国际网站科技也善于把國際上優(yōu)秀的技術(shù)團隊與國內(nèi)優(yōu)秀人才組合起來,每年投入大量的資金專注研發(fā)。憑借項頡董事長超前的思路和遠見卓識,大家舉力攜手共同開創(chuàng)了沙龙365国际网站科技一個又一個的新突破。正因如此優(yōu)秀與成熟的團隊,也成就了沙龙365国际网站科技具有市場競爭力的IGBT芯片和模塊產(chǎn)品。

    如今的沙龙365国际网站科技研發(fā)團隊憑借共同超過一個世紀的行業(yè)經(jīng)驗,積極致力于用商業(yè)激發(fā)和實施可持續(xù)解決方案,為實現(xiàn)未來的可持續(xù)發(fā)展而奮斗。

    5、蓄勢待發(fā),一往直前

    電動汽車朝著大功率密度、高安全性和低成本的方向前進時,功率器件的電流密度、功率損耗以及可靠性起著關(guān)鍵性作用。元胞、體結(jié)構(gòu)優(yōu)化和智能集成技術(shù)是實現(xiàn)上述目標的根本途徑。未來IGBT器件將向著槽柵結(jié)構(gòu)、精細化圖形、載流子注入

    增強調(diào)制、以及薄片化的加工工藝方向繼續(xù)發(fā)展。沙龙365国际网站科技也將繼續(xù)同時隨著IGBT芯片技術(shù)的發(fā)展而不斷自我提升,勇往無前,蓄勢騰飛。

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    參考資料:

    [1]張金平,肖翔,張波。超結(jié)IGBT的結(jié)構(gòu)特點及研究進展[J]. 機車電傳動,2021,9(5):12-20.
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