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    采用IGBT優化軟開關應用中的損耗

    發布時間:2010-08-11

    中心議題:
    • IGBT種的TrenchStop和RC-IGBT技術
    • RC2-IGBT的技術優勢對比
    • 降低飽和壓降造成的損耗對比

    IGBT技術進步主要體現在兩個方面:通過采用和改進溝槽柵來優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概念也經常被探討。首先投產的逆導型IGBT是針對電子鎮流器應用進行優化的,被稱之為“LightMOS”。本文介紹了集成續流二極管(FWD)的1200VRC-IGBT,并將探討面向軟開關應用的1,200V逆導型IGBT所取得的重大技術進步。
      
    TrenchStop和RC-IGBT技術
      
    在采用的TrenchStop技術中,溝槽柵結合了場終止概念(見圖1中的IGBT)。由于發射極(陰極)附近的載流子濃度提高,溝槽柵可使得導通損耗降低。場終止概念是NPT概念的進一步發展,包含一個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合起來,能使器件的厚度減少大約三分之一,同時保持相同的阻斷電壓。隨著晶圓厚度的降低,導通損耗和關斷損耗也可進一步降低。場終止層摻雜度低,因此不會影響背面植入的低摻雜p發射極。為了實現RC-IGBT,二極管的部分n摻雜背面陰極(圖1)將與IGBT集電極下面的p發射極結合起來。
      
    RC-IGBT的溝槽柵概念所基于的技術與傳統的TrenchStop-IGBT(見圖2)相同,但針對軟開關應用所需的超低飽和壓降Vce(sat)進行了優化,比如電磁爐或微波爐應用。數以萬計的溝槽柵通過金屬(鋁)相連,該金屬鋁層同時也是連線區。柵極和發射極之間的區域和端子被嵌入絕緣亞胺薄膜里。最新的投產型RC2-IGBT,其溝槽柵極更小,與標準TrenchStop-IGBT相比要多出150%的溝槽柵單元。圖3為基于TrenchStop技術的最新一代RC2-IGBT的溝槽柵截面圖。
      
    超薄晶圓技術
      
    由于導通電壓和關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厚度晶圓將是標準工藝。這需要進行復雜的晶圓處理,包括用于正面和背面的特殊處理設備。將晶圓變薄可通過晶圓打磨和濕式化學蝕刻工藝實現。
      
    新型RC2-IGBT的優勢
      
    來自英飛凌的新型RC2-IGBT系列產品是以成熟的TrenchStop技術為基礎的,具有超低飽和壓降。此外,IGBT還集成了一個功能強大且正向電壓超低的二極管。
      
    新型RC2-IGBT的優勢是針對軟開關應用(比如微波爐、電磁爐和感應加熱型電飯煲)進行優化的定制解決方案。與以前的器件相比,RC2-IGBT可提升性能,降低飽和壓降損耗。這可導致非常低的總體損耗,因此所需的散熱器更小。另外一個優勢是最大結溫被提高到TvJ(max)=175℃,比普通IGBT芯片提高了25℃。這種結溫已通過TO-247無鉛封裝的應用驗證。


    圖1:應用TrenchStop技術的RC-IGBT[page]

     圖2:RC-IGBT芯片(IHW20N120R)前視圖

     圖3:基于TrenchStop技術的最新一代RC2-IGBT的溝槽柵截面圖(溝槽柵里的洞是為分析準備)

     圖4:IGBT和二極管晶圓厚度變化
      
    在典型飽和壓降Vce(sat)=1.6V@25℃/1.85V@175℃和典型正向電壓Vf=1.25V@175℃(額定電流)的條件下,功率損(特別是軟開關應用的導通損耗)可大幅度降低。由IHW20N120R2的下降時間的切線可看出高速度—tf=24ns@25℃和Rg=30Ω(44ns@175℃)。IHW30120R2在下降時間方面是最為出色的:tf=33ns@25℃,Rg=30Ω;tf=40ns@175℃。(在硬開關條件下測量,參見帶有Eoff曲線的圖6和圖7)。[page]


    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:在硬開關條件下,175℃結溫以及室溫下IHW20N120R2(IN=20A,Vces=1,200V)和IHW30N120R2(IN=30A)的下降時間切線

    圖7:在硬開關條件下,175℃結溫以及室溫下RC2-IGBT的Eoff曲線
      
    圖6顯示如果柵極電阻低于30(,下降時間再度上升。這對于實現良好的EMI行為非常重要。所有市場上相關應用設計目前使用的柵極電阻都在10~20Ω之間。這個柵極電阻選用區域也是最低開關損耗區(見圖7)。它具有最低的開關損耗和合適的EMI表現。


     圖8:室溫和不同電流條件下IHW20N120R2的飽和壓降與Vf的關系
      [page]
    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。


     圖9:20A標稱電流和不同溫度下IHW20N120R2的飽和壓降與Vf的關系
      
    電壓諧振電路里的RC-IGBT


     圖10顯示了用于軟開關應用的典型電壓諧振電路。
      
    圖10:用于軟開關應用的電壓諧振電路圖
      
    對于190V~240V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的應用:IHW15N120R2(Vce=1,200V,Ic=15A@Tc=100℃);
      2.對于2.0kW的應用:IHW20N120R2(Vce=1,200V,Ic=20A@Tc=100℃);
      3.對于2.2kW的應用:IHW25N120R2(Vce=1,200V,Ic=25A@Tc=100℃);
      4.對于2.4kW的應用:IHW30N120R2(Vce=1,200V,Ic=30A@Tc=100℃)。
      
    為了測量IGBT的集電極電流Ice,應在發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℃)。


     圖11:1.8kW電磁爐應用(IHW20N120R2)的電壓諧振電路波形

    針對軟開關應用進行優化的RC-IGBT技術可大幅度降低飽和壓降造成的損耗。最大結溫提升到175℃進一步增強了芯片的電流能力。關斷開關損耗以及發射極關斷電流幾乎沒有變化。
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