Trench and Field Stop和NPT区别

应用笔记V1.0 十月 2006 中国一级代理北京晶川公司www.IGBT.cn 26 编译说明：这篇文章是英飞凌 Wolfgang Frank 博士的文章，主要介绍了英飞凌第三代 IGBT，即 IGBT3 的 特点。TrenchStopTM是英飞凌第三代 IGBT 的主要技术特征，它集成了英飞凌著名的沟槽栅技术和场中止技 术，并利用英飞凌在超薄晶片加工技术方面的领先地位，这三个独特技术的组合，使 IGBT3 饱和压降 VCE （sat）明显低于英飞凌首创的并深受广大中国用户青睐的 NPT-IGBT（IGBT2）。IGBT3 通过对开关能耗与 饱和压降折衷曲线的优化，实现了能量转换效率的突破，它集中体现了当今 IGBT 最先进的技术。英飞凌 IGBT3 分离器件是应用于小功率电机驱动的低成本、高效率方案；它还可用于 UPS、电焊机、太阳能电池逆 变等效率要求较高的场合。 TrenchStop-IGBT - 新一代电机驱动用 IGBT AN-TrenchStop-1 Author: Wolfgang Frank 分离器件与电源管理 1 1 1 1 概述概述 本文讨论了英飞凌（Infineon）最新一代击穿电压 V(Br)=600V、采用 TrenchStopTM技术、非 穿通型 IGBT（NPTIGBT）产生的技术背景。主要讨论了它在静态和动态性能方面带来的改善。 文中也解释了失效模式稳定性，它包括以短路耐受时间 TSC和短路耐受电流 ISC来表示的短路耐 受能力。最后一节讨论了 Trench-Stop IGBT 系列的电磁干扰（EMI）性能。 600V-和 1200V-电机驱动用 TrenchStop 系列 IGBT 的成功开发使英飞凌高性能 IGBT 成为覆盖各 种应用的完整的产品系列，详见表表 1 1 所列。 中国一级代理北京晶川公司www.IGBT.cn 27 表表 1 1 1 1 开关频率范围和相应的英飞凌开关频率范围和相应的英飞凌 IGBTIGBTIGBT IGBT 系列系列 2 2 2 2 TrenchStopTrenchStopTrenchStop TrenchStop 概念概念 近些年来 IGBT 技术的发展在改善其性能方面有几个具有标志性的飞跃，其中两个是由英飞凌推动的， 并且现在已成为最重要的技术。 2.1 电场中止技术（电场中止技术（FieldStopFieldStopFieldStop FieldStop TechnologyTechnologyTechnology Technology ）111 1 图图 1 1 1 1 是传统 NPT-IGBT（左）与 fieldstop IGBT（右）的剖面图。传统技术是以比较厚的硅片为基础的， 对耐压 1200V 器件大概是 200m 厚，600V 是 100m 厚。从图中电场强度分布曲线看到，在关断期间整个 衬底中电场强度线性下降，最后到零。这种电场分布对应的掺杂浓度分布（均匀分布译者注）是一种很差 的分布，它意味着导通状态下衬底的内部电阻相当大。若为了降低电阻调整衬底掺杂浓度则会对器件其他参 数带来不利影响。所以,衬底厚度是标志通态损耗大小的参数饱和电压 VCE(sat)的主要决定因素。衬底越厚， 饱和电压越大。 图图1 1 1 1 传统的传统的NPT-IGBTNPT-IGBTNPT-IGBT NPT-IGBT 和和FieldstopFieldstopFieldstop Fieldstop IGBTIGBTIGBT IGBT 在关断状态的剖面和电场分布在关断状态的剖面和电场分布 这个传统 NPT-IGBT 中存在的问题是通过在它的衬底区和集电区之间加入一个附加层得到了改善。这个 附加层被称做电场中止（fieldstop）层，它也是 n 型掺杂的，见图图 1 1 1 1 右。这一层的掺杂总剂量（即单位面积 下掺杂浓度沿厚度方向的积分总和译者注）设计为能使电场强度在这一层中基本降低到零。这就是说在该 层以下衬底中电场强度的降低可以忽略，因而，IGBT 的电压阻断能力与衬底厚度不再有关系，因此衬底可 以研磨得更薄。这就使 IGBT 具有很低的饱和电压，因而有很低的通态损耗。 在硬开关系统中应用时，场中止技术还具有另一个优越性，即它能比传统 IGBT 关断更快，基本没有电 流拖尾222 2 ，这就减少了功率损耗，因为电流拖尾造成的功耗在总开关损耗中占有不小的比例。 硬开关：020kHz 软开关：040kHz 硬开关：2040kHz 软开关：4060kHz 硬开关：40100kHz 软开关：60150kHz TrenchStopTrenchStopTrenchStop TrenchStop 600600600 600 V V V V e.g. IKP10N60T Fast IGBT 600 V e.g. SKP10N60 HighSpeed 600 V e.g. SKB15N60HS TrenchStop 1200 V e.g. IKW15T120 or IHW15T120 Fast IGBT 1200 V e.g. SKW15N120 HighSpeed II 1200V e.g. IKP03N120H2 中国一级代理北京晶川公司www.IGBT.cn 28 2.2 沟槽栅沟槽栅(Trench(Trench(Trench (Trench gate)gate)gate) gate) 饱和电压 VCE(sat)是表征 IGBT 技术水平的一个参数。饱和电压和关断能量共同构成了衡量 IGBT 性能优 劣的“综合优值（FOM）”。可以证明，饱和电压受沟道情况的影响很大。跨沟道两端的电压降与沟道宽度成 反比，与沟道长度成正比。因此要得到低的通态功耗，沟道长度应该尽可能短。可是另一方面沟道长度又必 须能保证击穿 电压的需要，这 限定了沟道长 度减短的最小 允许值。此外， 沟道长度还具 有限制短路电 流的作用，以避 免在负载短路 情况下 IGBT 被 烧坏。在传统 IGBT 中，沟道 长度允许减小 的下限限制了 IGBT 管芯中的 元胞密度，因而 限制了沟道总 宽度，使饱和电 压的降低受到 限制。用沟槽栅 技术的 Trenchstop IGBT 采用垂直 方向的栅极，而 不再是水平方 向的栅极,不占 据芯片的表面 面积。这就意味 着，现在可以把 沟道做最优化 设计，既能得到 较低的饱和电 压，同时也能保证足够的击穿电压。 图图 3 3 3 3 是归一化单位额定电流，其开关能量 Ets/A（Tj=25）的典型值和 Tj=25时饱和电压典型值所构 成的 FOM 平面。由图看到，TrenchStop 技术提供了开关能量和饱和电压的最优组合。不过，IXYS 公司的 HiPer-Family 系列也提供了良好性能和低开关损耗。不过在此提请注意：IXYS 公司是穿通型IGBT（PT IGBT） ，它的开关损耗随温度升高而迅速增大；VCE（sat）具有负温度系数，这使它几乎不可能并联使用。 图图 2 2 2 2 传统的传统的 IGBTIGBTIGBT IGBT 技术（左）和带有电场中止层的沟槽栅技术（右）技术（左）和带有电场中止层的沟槽栅技术（右） 图图 3 3 3 3 开关能开关能 E E E E tststs ts 和饱和电压和饱和电压 V V V V CE(sat)CE(sat)CE(sat) CE(sat) 构成的构成的 FOMFOMFOM FOM 平面平面 中国一级代理北京晶川公司www.IGBT.cn 29 个别其他竞争者也能提供开关能量稍微低一些的 IGBT。但是，Trenchstop 更好的饱和电压性能抵偿了 这方面的些微不足。 2.3 结论结论 场中止技术和沟槽栅技术的联合使用使 IGBT 的 FOM 性能得到了显著改进，而其它重要性能，如短路 耐受能力或者抗闩锁能力并未受到影响，或者仅受到很小的无关紧要的影响。 3 3 3 3 TrenchStop-IGBTTrenchStop-IGBTTrenchStop-IGBT TrenchStop-IGBT 的静态性能的静态性能 沟槽栅和电场中止的概念都使 IGBT 的静态性能和动态性能得到显著改进。下面将证明，在高结温工作 时，这两种技术的联合能减小功率损耗，并且能在芯片面积显著减小的情况下提高逆变器的输出功率。 图图 4 4 4 4 给出了 TrenchStop-IGBT 和 Fast-IGBT 的输出特性比较。被比较器件是在壳温 TC=100、额定电 流 IC=10A 的器件。 图图 4 4 4 4 清楚地显示出， 新型 TrenchStop-技术把饱和电压大幅度减小了 0.5V， 比同样额定电流的 Fast-IGBT 饱和电压减小了几乎 30%。由于 Trenchstop-IGBT 有更高的温度稳定性， 在较高结温下这个差别甚至增加 到 0.6V。 这里提请注意， 尽管 Trenchstop-IGBT 可以用到 175，图图 4 4 4 4 只给出了 150的曲线。之所以如此 ， 是为了可以与只能工作到 150的 Fast-IGBT 进行直接对比。 图图 4 4 4 4 Trenchstop-IGBTTrenchstop-IGBTTrenchstop-IGBT Trenchstop-IGBT （IKP10N60TIKP10N60TIKP10N60T IKP10N60T ，橘红色）和，橘红色）和 Fast-IGBTFast-IGBTFast-IGBT Fast-IGBT （SKP10N60A,SKP10N60A,SKP10N60A, SKP10N60A, 兰色）兰色） 在在 252525 25 （实线）和（实线）和 150150150 150 （虚线）的输出特性曲线（虚线）的输出特性曲线 4 4 4 4 动态性能动态性能 晶体管的动态性能严重影响开关损耗。一方面开关时间，下降时间和上升时间表征从通态到断态或其相 反方向的过渡时间；另一方面，IGBT 等双极器件还深受所谓的“电流拖尾”（下降时间往往不包含或者不能 完全包含拖尾时间译者注）的危害，电流拖尾是由于关断过程中载流子复合和抽出速度慢而引起，它造成 相当大的功率损耗。 据参考文献222 2 ，场中止技术能够基本上消除电流拖尾，于是具有非常低的关断功耗。 中国一级代理北京晶川公司www.IGBT.cn 30 图图 5 5 5 5 IKP10N60TIKP10N60TIKP10N60T IKP10N60T （较重色）与（较重色）与 SKP10N60ASKP10N60ASKP10N60A SKP10N60A （较浅色）在关断过程中的电压（蓝色）和电流（红色）波形（较浅色）在关断过程中的电压（蓝色）和电流（红色）波形 参数表中 IKP10N60T（Trenchstop）关断损耗的典型值是 350J，与 SKP10N60A（Fast）280J 相 差不多，仅大 25%左右，在此提请注意，SKP 器件在电流拖尾下降到额定电流的 10%以下时仍会产生功耗， 而在器件参数表中按照关断损耗的定义并未将这个功耗计算在内。所以，SKP 器件的实际功耗比参数表中给 的要略高一些，但 TrenchStop 器件并无这个问题。 还有一点很重要的是，Trenchstop-IGBT 还具有很高的开通能力。这使它最适合于利用共封 EmCon（发 射注入效率控制技术）二极管的性能，使开通功耗减到最小。具有上升时间 tr=11ns 的开通过程是很快的。 这个开关速度从 EmCon 二极管的软恢复性能获益最大。软恢复意味着续流二极管的反向恢复电流较小，使 得 IGBT 反向恢复损耗也低。 以上所述可从器件的参数表中得到验证。SKP10N60A（Fast）的典型下降时间是 26ns，IKP10N60T （Trenchstop）则为 63ns，大了一倍以上，在 150高温下也如此。按常理这意味着两类器件的总开关功耗 也大约是这个比例。但从参数表一看便知，Trenchstop 器件的总开关功耗比 Fast 器件只高 15%左右！ 5 5 5 5 电磁干扰电磁干扰(EMI)(EMI)(EMI) (EMI) 开通与关断晶体管时对 EMI 谱 的影响主要由集电极发射极电压 VCE(sat) （t）和集电极电流 IC（t）的 变化速率决定。因此常常通过开关 波形的分析来估计一个开关的 EMI 性能。电流或电压的过渡越陡，EMI 谱高频部分的幅度就越大。 根据图图 5 5 5 5 所示的关断波形和相 应的开通波形进行分析得到在开通 过程和关断过程中 di/dt 和 dV/dt 情 况如图图 6 6 6 6 所示所示，测试温度是 150。 显而易见，关断过程中 IKP10N60T 图图 6 6 6 6 开通（蓝色）与关断（紫色）过程中开通（蓝色）与关断（紫色）过程中电电 压（上图）和电流（下图）的变化速率压（上图）和电流（下图）的变化速率 中国一级代理北京晶川公司www.IGBT.cn 31 的电流变化速率远低于 Fast-IGBT，这与第 4 4 4 4 节是对应的。这使 IKP10P60T 的过压峰值要低得多，从而改 善了电磁兼容性能（EMC） 。 图图 6 6 6 6 中 Trenchstop 的其他变化率也都比 Fast 技术更低。这意味着任何 PCB 板难以避免的寄生振荡都 只被弱激发，因而 EMI 应是较低的。 良好的 EMI 性能是 Trenchstop 技术的关键特征之一。在应用中它是很重要的，因为 EMI 滤波器设计中 最根本的就是使导通转为关断以及相反过程的软过渡。当然，了解把 EMI 减到最小所必须满足的通用布线规 则也是重要的，例如：尽可能减小接地线构成的环路，尽可能减短漏、栅和源的走线，以及（无源）滤波元 件尽可能靠近功率开关器件等。 6 6 6 6 短路耐受能力短路耐受能力 由于在短路发生时大量的热是瞬时间产生的，所以它几乎完全耗散在硅芯片中（而不能传递到散热器） 。 600V Trenchstop IGBT 的参数表中说明，它的短路鲁棒性（抗短路能力）是在 Tj=150，VGE=15V 和 VCC=400V 的条件下短路耐受时间为 tSC=5s。请注意，短路耐受时间减小到 5s 并不标志着 Trenchstop 技 术的短路鲁棒性低。相反，它是在器件性能（也就是工作状态下的功耗）与短路耐受时间之间的折衷曲线上 很好地选择了工作点的结果。 为了适当的理解短路能力，下面讨论一下已知的短路损坏机制。已有报道说333 3 ，器件的短路损坏主要有 以下三种机制： a）在关断过程中由于器件过热而发生闩锁（latch-up）造成损坏； b）在电流脉冲持续期间的损坏（电流损坏模式） ，它与器件的温度没有关系，至今对这种损坏模式的机 理尚不完全清楚。不过，已经知道避免发生这种损坏的设计方法； c）在关断过程完成后由于器件发生热奔（Thermal run away）而损坏（能量损坏模式） ，它是在脉冲期间 损耗的能量引起的。这种损坏明显与短路前器件的温度有密切关系。 对600V Trenchstop IGBT 观 察到的损坏模式毫无 例外的都是（c） ，这 证明了它的鲁棒性和 无闩锁的器件设计。 图图 7 7 7 7 所 示 的 是 对 Trenchstop IGBT 施 加一个 VGE=15V、 IC 等于直流额定值 10A 的非破坏性短路脉冲 情况。请注意波形所 示的情况已远在参数 表中列的短路耐受能 力之上。 上述讨论阐明，一旦制造 IGBT 所用的技术是短路鲁棒的，进一步去调整短路耐受时间并不重要。因为 目前的短路检测方法已经快到足以在 5s 内实现短路检测并关断的电路。因此，为了最大限度地惠及用户， 向他们提供最佳性价比的产品，参数表中给出的短路电流耐受时间设定为 5s。 图图 7 7 7 7 IKP10N60TIKP10N60TIKP10N60T IKP10N60T 的短路的短路 中国一级代理北京晶川公司www.IGBT.cn 32 7 7 7 7 器件用于电机驱动的效果器件用于电机驱动的效果 Trenchstop 器件的静态损耗大幅度降低，而开关损耗增加不多。对于开关频率为 16KHz 满输出功率 （Cos=0.7）工作的逆变器，通过这个优化后逆变器开关功耗占总功耗的约 40%。而开关频率为 8KHz 时 这个比例下降到只有 25%。由此看出总功率损耗 PVtot中 IGBT 和续流二极管的通态损耗之和（PVCl+PVCD） 仍占绝大部分。尤其是二极管的开关损耗 PVSD所占比例很小。也请注意，二极管动态损耗的一部分是产生在 IGBT中 。图图8 8 8 8 所示的是在8KHz和16KHz两个开关频率下分别对于IKP20N60T（Trenchstop） 和SKW20N60 （Fast-IGBT）IGBT 的功率损耗和二极管的功耗。 高输出电流下 Trenchstop IGBT 器件的功耗比 Fast IGBT 低 1020%。从另一个角度看，这个比较说明，与 使用 Fast IGBT 相比,使用 IGBT3（Trenchstop 技术）最大输出功率(特别是在 125的高温下)提高约 1015%。而且这个计算已把 IGBT3 因减小芯片面积引起的结环境热阻 RthJ-A的增加考虑了进去。这样一 来，Trenchstop 器件的功率损耗降低和最高结温提高了 25的优点完全抵偿了它的热阻增大的缺点，而且 更好。用户选用 Trenchstop 技术的 IGBT3 可以选择较小散热器得到同样的最大输出功率，或者选用同样的 散热器而得到更大的最大输出功率。 关于 Trenchstop-IGBT DuoPack 的热学管理请参考 AN-Trenchstop-2AN-Trenchstop-2AN-Trenchstop-2 AN-Trenchstop-2 。 图图 8 8 8 8 采用采用 IKP20N60TIKP20N60TIKP20N60T IKP20N60T （TrenchstopTrenchstopTrenchstop Trenchstop ）和）和 SKW20N60SKW20N60SKW20N60 SKW20N60 （Fast-IGBTFast-IGBTFast-IGBT Fast-IGBT ）的变换器的每一支路的功率损耗比较，）的变换器的每一支路的功率损耗比较，Iout,rms=20AIout,rms=20AIout,rms=20A Iout,rms=20A ， ， CosCosCos Cos =0.7=0.7=0.7 =0.7 8 8 8 8 术语一览表术语一览表 中国一级代理北京晶川公司www.IGBT.cn 33 元件元件: : : : C.电容 D.二极管 IC .集成电路 L.电感 R.电阻 TR.变压器 9 9 9 9 参考文献参考文献 111 1 T.T.T. T. Laska,Laska,Laska, Laska, L.L.L. L. Lorenz,Lorenz,Lorenz, Lorenz, A.A.A. A. Mauder:Mauder:Mauder: Mauder: The New IGBT Generation A Great Improvement Potential for Motor Drive Systems 222 2 H.H.H. H. H H H H sken,sken,sken, sken, F.F.F. F. StStSt St ckler:ckler:ckler: ckler: Field Stop IGBT with MOS-like (tailless) tu