牵引传动用高压IGBT研究开发与应用推广

　　高压IGBT（绝缘栅双极晶体管）是牵引变流器的"心脏"，是交流传动技术的"核芯"。本项目属电力电子技术领域，涉及先进功率半导体器件IGBT的设计、工艺、测试与应用等多种技术。轨道牵引变流器具有特殊的牵引系统负荷特性，车载器件的运行环境恶劣且复杂多变，对牵引级IGBT的静动态特性与可靠性提出了很高的要求，器件需能承受高压大电流、具有优化的动态特性、更大的安全工作区及更高的工作结温。牵引级IGBT代表了该类器件的最高技术水平，其技术与产品长期被国外少数几家公司垄断。针对轨道交通应用特点，结合中国铁路特殊应用工况，本项目基于8英寸IGBT芯片工艺平台，对牵引级高压IGBT/FRD（快恢复二极管）芯片及其模块的设计和工艺制造技术进行了攻关研究，实现的主要科技创新有：

　　1）建成国内首条8英寸IGBT芯片专业生产线，解决了导通压降、开关特性、短路能力、IGBT 与FRD 匹配使用之间难以协调的国际性技术难题，开发出牵引传动用高压IGBT 系列化器件并成功批量应用于轨道交通领域，为中国铁路事业快速发展打下坚实基础，为中国高铁走向全球提供核心竞争力；

　　2）首创栅极区悬浮P总线和"环+区"（场限环+横向变掺区/结终端扩展区）结构，结合采用环绕边缘元胞及与终端区交叠的P型总线结构，极大地改善了边缘电场分布，抑制电场尖峰，提高芯片耐压性能与功率密度及抗闩锁能力；

　　3）对芯片的元胞结构进行创新设计，综合采用台面栅结构、P阱侧翼掺杂结构、"U"形槽发射极电极结构及元胞级串联栅电阻结构等技术，成功将芯片功耗降低10%以上，功率密度提高25%以上，并提高了芯片的安全工作区性能；

　　4）首创IGBT背部双N缓冲层结构及其扩散工艺技术，成功将芯片的短路能力提升到200%，大幅提升芯片应用的长期可靠性；

　　5）首创综合运用载流子增强技术、注入控制技术以及多重质子注入等技术，实现8英寸晶圆的可制造性，并提高了芯片的开关速度、改善漏电流，成功将芯片的最高工作结温从125℃提高到150℃以上；

　　6）开创宽地域适应的IGBT应用技术。在模块设计上首次提出新型垂直式电流环路结构，实现电流回路面积优化，降低模块内部杂散电感，减小开关过程中的过冲电压，提高模块可靠性与寿命。

　　本项目建设了国内首条8英寸IGBT芯片专业生产线，形成了一整套自主开发的高功率密度IGBT/FRD的设计技术和制造工艺，填补我国高端IGBT核心技术与产品的空白，打破国外IGBT技术封锁与产品垄断，结束我国铁路高端装备核心器件长期受制于人的局面，打通国内先进功率半导体芯片-模块-装置-系统的完整产业链，支撑中国铁路牵引动力的自主创新与技术进步。项目成果总体技术处于国际领先水平。产品性能稳定可靠，已安全运营数百万公里，累计装车超1000台，支撑功率模块销售累计收入逾35亿元。此外，项目成果已快速推广应用到智能电网、新能源、工业变流、军工等领域，对战略性新兴产业发展具有良好的支撑与推动作用。申请发明专利38项，实用新型9项，获得发明专利授权4项，发表论文26篇。