采用IGBT優(yōu)化軟開關(guān)應(yīng)用中地?fù)p耗

1、采用 IGBT 優(yōu)化軟開關(guān)應(yīng)用中的損耗中心議題：IGBT 種的 TrenchStop 和 RC-IGBT 技術(shù)RC2-IGBT 的技術(shù)優(yōu)勢對比降低飽和壓降造成的損耗對比IGBT 技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：通過采用和改進(jìn)溝槽柵來優(yōu)化垂直方向載流 子濃度，以及利用“場終止”概念 ( 也有稱為“軟穿通”或“輕穿通” )降低晶圓 n 襯底的厚度。此外，帶有單片二極管的 IGBT 概念也經(jīng)常被探討。首先投產(chǎn)的逆導(dǎo)型 IGBT 是針 對電子鎮(zhèn)流器應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的，被稱之為“ LightMOS ”。本文介紹了集成續(xù)流二 極管 (FWD) 的 1200VRC-IGBT ，并將探討面向軟開關(guān)應(yīng)用的 1,200V

2、 逆導(dǎo)型 IGBT 所取得的重大技術(shù)進(jìn)步。TrenchStop 和 RC-IGBT 技術(shù)在采用的 TrenchStop 技術(shù)中，溝槽柵結(jié)合了場終止概念 （見圖 1 中的 IGBT） 。由 于發(fā)射極 （陰極 ）附近的載流子濃度提高，溝槽柵可使得導(dǎo)通損耗降低。場終止概念 是 NPT 概念的進(jìn)一步發(fā)展，包含一個(gè)額外的植入晶圓背面的 n 摻雜層。將場終止層與高電阻率的晶圓襯底結(jié)合起來，能使器件的厚度減少大約三分之一， 同時(shí)保持相同的阻斷電壓。 隨著晶圓厚度的降低， 導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗也可進(jìn)一步 降低。場終止層摻雜度低，因此不會(huì)影響背面植入的低摻雜 p 發(fā)射極。為了實(shí)現(xiàn) RC-IGBT ，二極管的部分

3、n 摻雜背面陰極 （圖 1） 將與 IGBT 集電極下面的 p 發(fā)射極 結(jié)合起來。RC-IGBT 的溝槽柵概念所基于的技術(shù)與傳統(tǒng)的 TrenchStop-IGBT（ 見圖 2） 相同， 但針對軟開關(guān)應(yīng)用所需的超低飽和壓降 Vce（sat） 進(jìn)行了優(yōu)化， 比如電磁爐或微波爐 應(yīng)用。數(shù)以萬計(jì)的溝槽柵通過金屬 （ 鋁）相連，該金屬鋁層同時(shí)也是連線區(qū)。柵極和 發(fā)射極之間的區(qū)域和端子被嵌入絕緣亞胺薄膜里。最新的投產(chǎn)型 RC2-IGBT ，其溝 槽柵極更小，與標(biāo)準(zhǔn) TrenchStop-IGBT 相比要多出 150% 的溝槽柵單元。圖 3 為 基于 TrenchStop 技術(shù)的最新一代 RC2-IGBT

4、的溝槽柵截面圖。超薄晶圓技術(shù)由于導(dǎo)通電壓和關(guān)斷損耗在很大程度上取決于晶圓的厚度，因此需要做更薄的IGBT 。圖 4 顯示了英飛凌 600/1,200VIGBT 和 EMCON 二極管的晶圓厚度趨勢。 對于新型 1,200VRC-IGBT 而言， 120um 厚度晶圓將是標(biāo)準(zhǔn)工藝。這需要進(jìn)行復(fù) 雜的晶圓處理， 包括用于正面和背面的特殊處理設(shè)備。 將晶圓變薄可通過晶圓打磨 和濕式化學(xué)蝕刻工藝實(shí)現(xiàn)。新型 RC2-IGBT 的優(yōu)勢來自英飛凌的新型 RC2-IGBT 系列產(chǎn)品是以成熟的 TrenchStop 技術(shù)為基礎(chǔ)的， 具 有超低飽和壓降。此外， IGBT 還集成了一個(gè)功能強(qiáng)大且正向電壓超低的二極管

5、。新型 RC2-IGBT 的優(yōu)勢是針對軟開關(guān)應(yīng)用 (比如微波爐、電磁爐和感應(yīng)加熱型電飯 煲 )進(jìn)行優(yōu)化的定制解決方案。與以前的器件相比，RC2-IGBT 可提升性能，降低飽和壓降損耗。 這可導(dǎo)致非常低的總體損耗， 因此所需的散熱器更小。 另外一個(gè)優(yōu) 勢是最大結(jié)溫被提高到 TvJ(max)=175 C,比普通IGBT芯片提高了 25 C。這種結(jié) 溫已通過 TO-247 無鉛封裝的應(yīng)用驗(yàn)證。IGBT in RG-IGB7聲即.吧圖 1 :應(yīng)用 TrenchStop 技術(shù)的 RC-IGBTa)b.)c.)4,)圖 2 : RC-IGBT 芯片(IHW20N120R) 前視圖圖3 :基于TrenchS

6、top 技術(shù)的最新一代 RC2-IGBT的溝槽柵截面圖（溝槽柵里的洞是為分析準(zhǔn)備）199010921 994199&1S9S 200020022004 2006Year圖4 : IGBT和二極管晶圓厚度變化在典型飽和壓降 Vce（sat）=1.6V25 C /1.85V175 C和典型正向 電壓 Vf=1.25V175 C （額定電流）的條件下，功率損（特別是軟開關(guān)應(yīng)用的導(dǎo)通損耗）可 大幅度降低。由IHW20N120R2 的下降時(shí)間的切線可看出高速度一 tf=24ns25 C和 Rg=30 Q（44ns175 C ）。IHW30120R2在下降時(shí)間方面是最為出色的：tf=33ns25 C, R

7、g=30 Q; tf=40ns175 C。（在硬開關(guān)條件下測量， 參見帶有Eoff曲線的圖6和圖7）。圖5 :來自英飛凌科技的最新一代RC2-IGBT（IHWxxN120R2 , xx=15A、20A、 25A和30A）。采用無鉛電鍍 TO-247封裝圖6 :在硬開關(guān)條件下,175 C結(jié)溫以及室溫下IHW20N120R2(IN=20AVces=1,200V)和 IHW30N120R2(IN=30A) 的下降時(shí)間切線圖7 :在硬開關(guān)條件下，175 C結(jié)溫以及室溫下 RC2-IGBT的Eoff曲線圖6顯示如果柵極電阻低于30（，下降時(shí)間再度上升。這對于實(shí)現(xiàn)良好的EMI行為非常重要。所有市場上相關(guān)應(yīng)

8、用設(shè)計(jì)目前使用的柵極電阻都在1020 Q之間。這個(gè)柵極電阻選用區(qū)域也是最低開關(guān)損耗區(qū)（見圖7）。它具有最低的開關(guān)損耗和合適的EMI表現(xiàn)。圖8 :室溫和不同電流條件下IHW20N120R2的飽和壓降與Vf的關(guān)系圖7和圖8顯示了最新一代 RC2-IGBT(IHW20N120R2) 的超低飽和壓降 Vce(sat) 和正向電壓 Vf。圖8顯示了 1,000片該器件在室溫和不同電流條件下的最低和最 高飽和壓降的曲線圖，圖 9顯示了它們在不同溫度和20A額定電流條件下的飽和壓降曲線圖。1.7 1祎吃、1.51 61.71 S1 9圖9 : 20A標(biāo)稱電流和不同溫度下 IHW20N120R2 的飽和壓降與

9、 Vf的關(guān)系電壓諧振電路里的 RC-IGBT圖10顯示了用于軟開關(guān)應(yīng)用的典型電壓諧振電路。圖10 :用于軟開關(guān)應(yīng)用的電壓諧振電路圖對于 190V240V交流輸入電壓而言，RC-IGBT具有低飽和壓降和正向電壓：1.對于1.8kW的應(yīng)用：IHW15N120R2(Vce=1,200V,lc=15ATc=100c )；2.對于2.0kW的應(yīng)用：IHW20N120R2(Vce=1,200V,lc=20ATc=100C )；3.對于2.2kW的應(yīng)用：IHW25N120R2(Vce=1,200V,lc=25ATc=100C )；4.對于2.4kW的應(yīng)用：IHW30N120R2(Vce=1,200V,lc=30ATc=100C )。為了測量IGBT的集電極電流Ice ,應(yīng)在發(fā)射極和地之間使用超低阻值的取樣電阻器。圖11為Vce和Ic的波形（搪瓷燒鍋負(fù)載）。工作頻率為29.1kHz，LC電路在 諧振范圍之外（電磁爐的溫度模式為 50 C ）。*200 J11,(