第2代FS SA T IGBT可显着减少单端谐振逆变器总损耗.doc

第2代FS SA T IGBT可显着减少单端谐振逆变器总损耗 摘要：本文将介绍飞兆半导体的第2代1400V场截止Shorted Anode沟道(FS-SA T)IGBT(具有不同于一般IGBT的固有体二极管)在感应加热(IH)系统中的应用，并注重介绍它在单端(SE)谐振逆变器中的效率等特性。关键字：IGBT,飞兆半导体,谐振逆变器高压IGBT的性能显著提高。现今最常用的IGBT技术是场截止IGBT(FS IGBT)技术，它结合了PT(穿通)和NPT(非穿通)IGBT结构的优点，同时克服了两者的缺点。FS IGBT在导通状态时提供较低的饱和压降VCE(sat)，在关断时刻提供较低的开关损失。但由于传统的IGBT不含有固有体二极管，所以大多数开关应用通常将其与额外FRD封装在一起。本文将介绍飞兆半导体的第2代1400V场截止Shorted Anode沟道(FS-SA T)IGBT(具有不同于一般IGBT的固有体二极管)在感应加热(IH)系统中的应用，并注重介绍它在单端(SE)谐振逆变器中的效率等特性。场截止Shorted Anode沟道IGBT虽然NPT(非穿通)IGBT通过在关闭转换期间减少少数载流子喷射量并提高复合率提高了关闭速度，但由于VCE(sat)较高而不适合某些高功率应用，因为n-漂移层必须轻掺杂，结果在关闭状态期间需要较厚的漂移层以维持电场，如图1(a)所示。n-漂移层的厚度是IGBT中饱和压降的主要因素。来源:大比特半导体器件网图1：NPT IGBT(左)和场截止IGBT(右)。通过在n-漂移层和p+集电极之间插入n掺杂场截止层，如图1(b)中所示，可减小n-漂移层的厚度。这是场截止概念，应用场截止概念的IGBT称为场截止IGBT(FS IGBT)。在FS IGBT中，场截止层内的电场急剧减小，而在n-漂移层中会逐渐减小。因此，漂移层的厚度和饱和压降可显著降低。沟道栅结构也改善了饱和压降。此外，FS IGBT的场截止层在关断瞬间期间加快了多数载流子复合，因此其尾电流远远小于NPT或PT IGBT。这降低了开关损耗。来源:大比特半导体器件网然而，传统FS IGBT由于p-、n-、n、p+结构而不包括类似PT和NPT IGBT的固有体二极管。因此对于大多数应用，应将它与其他FRD封装在一起。但最近兴起一个新的理念，即像MOSFET一样将体二极管嵌入到IGBT中。这称为Shorted Anode IGBT(SA IGBT)。图2显示了将Shorted Anode理念移植到场截止沟道IGBT的概念。Shorted Anode场截止沟道IGBT(FS SA T IGBT)的主要理念是将n+集电极间歇地插入到p+集电极层。在这种情况下，n+集电极直接接触场截止层并用作PN二极管的阴极，而p+集电极层用作FS T IGBT的通用集电极。来源:大比特半导体器件网图2：场截止Shorted Anode沟道IGBT。飞兆半导体最近开发出第2代FS SA T IGBT。采用非常先进的场截止技术，确保了1400V(BVCES)的击穿电压，而前一版本仅有1200V的BVCES，最高竞争产品仅有1350V的BVCES。新设备相比第1代设备，开关性能大幅改善，同时具有较高的VCE(sat)。此外，新设备具有较小的芯片尺寸，因此成本效益更高新设备的芯片尺寸是以前的77%，是最佳竞争产品的86%。来源:大比特半导体器件网表1中比较了关键参数。表1：关键参数比较实验结果单端(SE)谐振逆变器是E类谐振逆变器，由于较低的成本结构和相对较高的效率而得到不断普及，尤其是在IH炉具和电饭锅应用中。SE谐振逆变器也是Shorted Anode IGBT概念非常适合的应用，因为反并联二极管的性能无关紧要，肃然它必须达到ZVS导通。为验证新1400V FS SA T IGBT在SE谐振逆变器中的有效性，用IH炉具中的1.8KW SE谐振逆变器进行了一个实验。来源:大比特半导体器件网在图3和图4中分别说明了开关性能、关断和尾电流损失比较。结果显示，就关断瞬态而言，新设备稍逊于以前的设备和最佳竞争产品。FGA20S140P的关断能量(Eoff)为127uJ，而FGA20S120M为122uJ，最佳竞争产品为103uJ。然而，从尾电流损失角度看，新设备要比以前的设备以及最佳竞争产品优越很多。对于尾电流损失，FGA20S140P为396uJ，FGA20S120M为960uJ，最佳竞争产品为627uJ。结果是，新设备尽管具有稍慢的关断转换和较高的VCE(sat)，但因为尾电流小得多，可显着减少总损耗。来源:大比特半导体器件网图3：关断损耗比较。图4：尾电流损耗比较。图5：热性能比较。图5显示了热性能比较结果。在最大功率1.8kW下测量的壳体温度结果是：FGA20S140P为80.2，FGA20S120M为82.3，最佳竞争产品为80.5。虽然击穿电压200V相比以前的设备有所改善，高于最佳竞争产品50V，但芯片尺寸比其他产品小，所以新设备相比以前的设备以及最佳竞争产品显示出更好的热性能。来源:大比特半导体器件网结论已经出现一个新的场截止沟道IGBT概念FS SA T IGBT，其像MOSFET一样嵌入了固有体二极管，并展示了其在感应加热应用单端谐振逆变器中的有效性。新设备具有稍高的VCE(sat)和稍慢的关断性能，但是其尾电流比最佳竞争产品以及以前的版本提高很多。新设备的尾电流损失是以前设备的41%，是最佳竞争产品的63%。因此，新设备的热性能略好于以前的设备以及最佳竞争产品。新设备的芯片尺寸也较小其芯片尺寸是以前设备的77%，是竞争产品的86%，因此还可以提供更好的成本效益。来源:大比特半导体器件网参考文献1 K-H Lee、K-H Oh、Y-C Kim和C M Yun，“An avalanche rugged NPT trench IGBT used in single-ended quasi resonant topology for induction heating appliance”(用于感应加热设备单端准谐振拓扑的雪崩耐用NPT沟道IGBT)，EPE.2005来源:大比特半导体器件网2 Laska, T.、Munzer, M.、Pfirsch, F.、Schaeffer, C.和Schmidt, T.，“The Field Stop IGBT (FS IGBT) A new power device concept with a great improvement potential”(场截止IGBT(FS IGBT) - 具有很大改进潜力的新功率设备概念)，ISPSD.2000，第 355 - 358来源:大比特半导体器件网3 Alessandria, A. 和Fragapane, L.，“A new top structure concept for a trench-gate emitter implant Field-Stop IGBT”(沟道-栅极发射极植入场截止IGBT的新顶部结构概念)，SPEEDAM 2010，第551 - 555页4 D. J. Kessler和M. K. Kazimierczuk，“Power losses and efficiency of Class-E power amplifier at any duty ratio”(E类功率放大器在任意占空比下的功耗和效率)，IEEE会刊 电路系统I，注册 论文，第51卷，第9期，第16751689页，9月，2004. 来源:大比特半导体器件网5 N-J Park、D-Y Lee和D-S Hyun，“Study on the new control scheme of class-E inverter for IH-jar application with clamped voltage characteristics using pulse frequency modulation”(具有箝位电压特性的E类逆变器在感应加热锅应用中使用脉冲频率调制的新型控制机制研究)，Electric Power Applications，IET第1卷，第3期，第433 - 438来源:大比特半导体器件网6 D-Y Lee和D-S Hyun，“A new hybrid control scheme