01 前 言
大家好，今天聊一下逆導型IGBT（reverse conducting IGBT，RC-IGBT），很久以前就知道這個器件，但是感覺應用很少，所以也沒太進一步去了解。最近沒事看論文發(fā)現(xiàn)富士近幾年已經(jīng)把RC-IGBT作為重點器件在電動汽車領域進行了推廣應用，所以個人感覺有必要花點時間來聊一下這個器件，沒準在電動汽車領域RC-IGBT和SiC MOSFE模塊一樣，也代表著一個重要的發(fā)展方向......
02 什么是RC-IGBT
逆導型IGBT，逆向導通？有些小伙伴可能會問，IGBT本來不就是反向導通的嗎？為什么還專門起這樣一個名詞。這里面大家可能存在一個誤區(qū)，通常來講IGBT只是一個泛稱，因為大部分工業(yè)應用都是感性負載，都需要在IGBT芯片旁邊反并聯(lián)一個二極管芯片，因此一般都認為IGBT肯定是反向導通的。但是嚴格來講IGBT就是IGBT，不像MOSFET內部有體二極管，而且IGBT屬于非對稱器件，非對稱意味著正反向耐壓是不一樣的。這時你可能會問既然有非對稱器件，那肯定有對稱的。是的，還真有，AB Rockwell公司的Power Flex7000中壓電流型逆變器采用的就是對稱性門極環(huán)流晶閘管（Symmetrical Gate Commutated Thyristor, SGCT），SGCT的正反向的阻斷電壓是一樣的。Baliga的著作“Fundamentals of power devices ”9.1節(jié)上也講到了對稱型IGBT，感興趣的小伙伴可以去了解一下....
有點扯遠了，回過頭來繼續(xù)聊我們的RC-IGBT，簡單來講 RC-IGBT是將IGBT和Diode做在一個芯片里面了，如下圖所示：
為了略顯專業(yè)，老耿感覺還是有必要對著IGBT、DIODE和RC-IGBT的內部結構圖說一說。有些小伙伴可能還不太會看此類圖片，其實也不太復雜，簡單來講功率器件就是把不同摻雜濃度的P型半導體和N型半導體組合拼湊出來的。下圖為英飛凌提供的RC-IGBT圖片，老耿增加了一些注釋，不同的顏色代表摻雜濃度不同，顏色越深，摻雜濃度越高，字母后面+符號代表摻雜濃度高（重摻雜），-符號代表摻雜濃度低（輕摻雜）。
了解到這個程度，給不懂器件的人吹吹牛應該還是可以的。回頭來讓我們先看一下FWD結構，它由P+、N-、N+ 3層半導體組成，這種結構的二極管也叫PiN二極管，i是英文單詞Intrinsic的縮寫，代表本征的意思，說明中間的N-半導體摻雜濃度很低，類似本征。關于PiN結構更詳細的介紹可以參考老耿以前的文章。
IGBT相比FWD就復雜多了，上圖中溝槽柵場終止型IGBT結構圖從上至下由N+、P+、N-、N+、P+ 5層不同摻雜濃度的半導體組成。如果把兩者結合起來，在IGBT底部P+層預留一部分做成N+，就變成了RC-IGBT。下面再來欣賞一下富士提供的更為直觀的三維結構圖。
看到這里相信大家應該都明白RC-IGBT與普通IGBT的區(qū)別了，關于RC-IGBT更深入的工作原理，老耿就不做介紹了，下面我們再來看看RC-IGBT有哪些優(yōu)勢。。。
03 RC-IGBT優(yōu)勢
優(yōu)勢1：減小芯片尺寸降低成本
IGBT芯片或FWD 芯片主要包含終端區(qū)和元胞區(qū)，當兩個器件合并為一個芯片時終端部分可以實現(xiàn)共用，因此可以減小終端部分的面積。
通常情況下，傳統(tǒng)模塊中 IGBT 與 FWD 的面積比一般約為 2:1，RC-IGBT 可在保持傳統(tǒng) IGBT 芯片面積基本一致（略有增大）的條件下，通過在芯片內部集成 FWD，從而省掉 FWD 部分的芯片面積，故可以節(jié)省總芯片面積約 1/3[1]，同時芯片數(shù)量少了，還節(jié)省了焊接芯片和鍵合綁定線的成本，可大幅降低芯片生產(chǎn)制造成本及封裝測試成本。類似下圖，半橋IGBT模塊需要4個芯片（2個IGBT+2個FWD），而如果采用RC IGBT芯片2個就夠了。.
優(yōu)勢2：降低熱阻
我們都知道對于普通的IGBT模塊來講，規(guī)格書上都會單獨給出IGBT芯片和diode芯片至基板的熱阻。而對于芯片來講，面積越大熱阻越小，越利于散熱。前面已經(jīng)提到RC-igbt雖然能夠節(jié)省總的芯片面積，但是對于二極管的有效面積約擴大一倍，因此可有效降低二極管的熱阻，并大幅提高其抗浪涌電流的能力（I2t耐量），而對于IGBT來說也能一定程度上降低熱阻，下圖為富士公開的一個報告上給出的參數(shù)，IGBT可以降低12%的熱阻，Diode可以降低40%的熱阻。
熱阻越小，越利于器件撒熱，如果系統(tǒng)只有IGBT芯片或diode芯片工作時的器件的結溫肯定會有所降低。但是當IGBT和FWD都工作時，由于IGBT和FWD之間存在熱干涉，總的溫度比傳統(tǒng)的模塊可能會有所上升，畢竟兩個器件的損耗在一個芯片上，當然這里也要看RC-IGBT芯片開關特性。
優(yōu)勢3：降低結溫波動
從使用工況的角度看，RC-IGBT的改進了傳統(tǒng)模塊中 IGBT 芯片與 FWD 芯片間歇工作導致結溫波動大的缺點，大幅提高器件的功率循環(huán)能力。我們都知道逆變器輸出頻率越低，IGBT結溫波動也就更加劇烈，尤其是在堵轉工況下這一現(xiàn)象更為嚴重。而RC-IGBT由于 IGBT 和二極管集成在一個芯片上，其交替工作時產(chǎn)生的熱量形成一個合成的熱源，散熱途徑一致，能夠大幅降低芯片的結溫波動，提升器件可靠性。
04 RC-IGBT問題
看到這里你可能會問既然RC-IGBT有這么多優(yōu)勢，那為什么還沒有大規(guī)模應用？讓我們再來看看RC-IGBT存在的一些問題。RC-IGBT最常見的問題是正向輸出特性中的 Snap-back(回跳)現(xiàn)象，如下圖所示[2]。在RC-IGBT 導通初期，電流密度很小，VCE較大，但當 VCE增加到大于某值后，VCE會出現(xiàn)較大幅度下降，而電流密度繼續(xù)增加的現(xiàn)象，在 I-V 曲線上表現(xiàn)為負阻特性。Snap-back現(xiàn)象不利于器件的并聯(lián)使用，也會影響輕載條件下的功耗，關于回跳的原因，老耿不做進一步詳細解釋了，詳細可以參考文獻[3]。
但富士在內部期刊的一篇文章“第7代“X 系列”產(chǎn)業(yè)用RC-IGBT模塊”[4]已經(jīng)明確說明針對這一問題進行了芯片結構優(yōu)化，消除了回跳現(xiàn)象，如下圖所示：
除了以上問題之外，RC-IGBT還有一些其它問題，例如參考文獻[1]中提到的RC-IGBT 關斷及二極管反向恢復的動態(tài)波形優(yōu)化、器件縱向漂移區(qū)載流子濃度分布優(yōu)化、器件橫向載流子密度及電場分布均勻性優(yōu)化、器件的特殊背面加工工藝及器件三維仿真等問題。畢竟在一個芯片上同時兼顧 IGBT 和 FWD 兩者的靜、動態(tài)性能還是有點難度的。盡管如此，國外一些半導體廠商例如ABB、英飛凌、富士、三菱都有相關研究且推出了相關的產(chǎn)品，更詳細的了解可以參考文獻[1]。
好了，今天就給大家分享到這里，參考文獻關于RC-IGBT的介紹都很專業(yè)，強烈建議大家去看看。以上內容若有不對之處，請大家批評指正！
參考文獻：
[1]劉志紅，湯藝，盛況. 逆導型 IGBT 發(fā)展綜述.[J]. 中國電機工程學報, 2019．
[2] Koichi MURAKAMI Md. Tasbir RAHMAN Keisuke KIMURA Lower Power Loss RC-IGBT for Hybrid Electric Vehicles[J]. DENSO TECHNICAL REVIEW, 2021
[3] 張文亮，田曉麗，談景飛等. 逆導型 IGBT 發(fā)展概述.[J]. 新型半導體器件, 2012．
[4] 山野 彰生, 高橋 美咲等。第 7 代“X 系列”產(chǎn)業(yè)用 RC-IGBT 模塊[J]. 富士電 機技術期刊, 2017