理解IGBT的并联均流问题:基于基本物理原理的探索

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1、并联的妙处

 

相较于无元胞器件如FRD和晶闸管,IGBT天生就具备并联的特性。在模块封装中,更需要进行多芯片的并联设计。正是由于并联的存在,才能拓展IGBT器件的功率容量。可以说,没有并联,就不会有真正的IGBT。
 
然而,并联也带来了均流的问题。
 
                                                                      2、芯片大小的考量
 
有人认为,将IGBT芯片做得更大一些,一个芯片就能替代两个,从而减少封装中的并联均流问题。然而事实远比想象的复杂。
 
首先,IGBT芯片由许多个元胞组成。按照每个元胞宽度为15微米来估算,一个平方厘米的芯片上大约有40万个元胞。这些元胞之间本身就是并联的,也会面临均流问题。当芯片面积增大时,芯片内部的均流问题也需要被考虑。某个元胞的热电正反馈正是导致芯片损坏的开始。
 
如果芯片内部始终能够均匀分流,IGBT的电流承受能力将超过额定电流。对单个元胞进行仿真时,你可能会注意到无论是增加关断电压还是寄生电感,元胞都不会损坏。甚至通过任何设计都可以实现SSCM(Soft-Switching Continuous Mode)。是的,就是ABB提出的那种开关自钳位模式。当电压过冲达到一定值后,由于动态雪崩效应,关断电流di/dt下降,使VCE被钳制。
 
这正是均流的力量。在现实中,IGBT几乎所有与大电流相关的损坏问题都源自均流。因此,芯片内部的均流问题也非常重要。
 
此外,在芯片制造过程中总会存在缺陷和良率问题。无论芯片大小如何,只要有一个致命缺陷,芯片就会失效。芯片面积越大,良率自然越低。同时,晶圆加工中剩余的边角料也会浪费更多。
 
因此,增大芯片面积既涉及到均流设计问题,也需要考虑生产线的工艺能力和成本。
 
                                                               3、栅电阻的等效性
 
在实际的模块设计中,每个模块通常会有多个衬板,并且每个衬板上都会有一个衬板电阻。例如,一个1200A的模块可能有6个衬板,每个衬板上的电阻为6欧姆。按照并联电阻的规律,这6个6欧姆的电阻相当于在模块外部接入一个1欧姆的电阻。
 
然而,这两种处理方式实际上是不完全等效的。因为模块布局中一定存在着寄生参数,导致不同衬板与信号源之间的总阻抗并不相同。引入衬板电阻后,可以减小不同衬板之间这方面的差异,从而改善均流问题。
 
同样地,芯片内部的片上电阻和衬板电阻也不能完全等效。
 
那么,我们是否需要考虑芯片内部不同区块的均流问题?以及如何处理呢?显然,答案已经非常清晰。
 
均流问题的范畴非常广泛,包括静态、动态和短路等情况。比较容易处理的是通过抑制寄生参数引起的不均流现象,而相对更困难的是芯片制造工艺的控制,以及需要在器件设计中考虑的一些因素。这些问题可能无法在短短几篇文章中详尽阐述。本系列只列举了一些典型的要点,剩下的就留给那些有心思考的人去深入思考了。

                                               

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