隨著功率電子和半導體技術的快速進步，各類電力電子應用都開始要求用專門、專業的半導體開關器件，以實現成本和性能的共贏。與傳統的非穿通(NPT) IGBT相比，場截止(FS) IGBT進一步降低了飽和壓降和開關損耗。此外，通過運用陽極短路(SA)技術在IGBT裸片上集成反向并聯二極管這項相對較新的技術，使得FS IGBT非常適合軟開關功率轉換類應用。

 

 

雖然NPT（非穿通）IGBT通過減少關斷過渡期間少數載流子注入量并提高復合率而提高了開關速度，但由于VCE(sat)較高而不適合某些大功率應用，因為其n-襯底必須輕度摻雜，結果在關斷狀態期間需要較厚的襯底來維持電場，如圖. 1(a)所示。–n-襯底的厚度是決定IGBT中飽和壓降的主要因素。

 

傳統NPT IGBT的“n-”漂移層和“p+”集電極之間的“n”型摻雜場截止層（如圖1(b)所示）顯著提高了IGBT的性能。這就是場截止IGBT的概念。在FS IGBT中，電場在場截止層內急劇減弱，而在“n-”漂移層中則為逐漸減弱。因此，“n-”漂移層的厚度和飽和壓降得到了顯著改善。溝道柵極結構也改善了飽和壓降。此外，FS IGBT的場截止層在關斷瞬間可加快多數載流子復合，因此其尾電流遠遠小于NPT或PT IGBT。由此降低了開關損耗和關斷能量Eoff。

圖1: NPT IGBT（左）和場截止IGBT（右）

 

同時，出現了一個新的概念——陽極短路IGBT(SA IGBT)：它允許將體二極管以MOSFET的方式內嵌到IGBT中。圖2顯示場截止溝道陽極短路(FS T SA)IGBT概念的基本結構，其中，“n+”集電極與場截止層相鄰，作為PN二極管的陰極，而“p+”集電極層作為FS T IGBT的共集電極。

圖2: FS SA T IGBT的截面圖

圖3: 典型輸出特性對比

 

圖3顯示新陽極短路器件(FGA20S140P)、前代器件(FGA20S120M)和最佳的競爭產品之間的典型輸出特性對比。在額定電流20 A的條件下，FGA20S140P的飽和電壓VCE(sat)是1.9 V，而 FGA20S120M的飽和電壓是1.55 V，最佳競爭產品的飽和電壓是1.6 V。圖4顯示反向恢復性能對比結果。SA IGBT的反向恢復性能稍遜于與IGBT共封裝的超快速恢復二極管(UFRD)。幸運的是，較高的VCE(sat)并不會對感應加熱(IH)應用造成危害。

圖4: 反向恢復性能對比

 

采用已針對感應加熱應用優化了的先進場截止陽極短路技術，Fairchild最新的二代FS T SA IGBT技術，與以前版本相比，不僅顯著提高了擊穿電壓，而且提高了開關性能；即使如此，VCE(sat)還是稍顯偏高。采用軟開關測試設備得到的關斷特性對比如圖5所示。FS T SA IGBT的關斷能為573μJ ，而前一代FGA20S120M的關斷能為945μJ，而最佳競爭產品的關斷能則為651 μJ。因此，在此模擬感應加熱應用的特定軟開關測試中，新一代FS T SA IGBT器件的關斷能至少減少了12%！

圖5: Eoff對比

 

 

表1:關鍵參數對比

* 在Ioff= 40 A 和dv/dt = 140.1V/μs條件下測量

 

總結

 

本文介紹以類似MOSFET的方式內嵌固有體二極管的最新一代陽極短路IGBT。與最佳競爭產品和前代產品相比，該器件具有Eoff較小的特性。總之，新器件使得FS IGBT更適用于不需要高性能反向并聯二極管的軟開關應用。