Trench and Field Stop和NPT区别

1、Trench and Field Stop和NPT区别应用笔记V1.0十月2006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。TrenchStop TM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V CE （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

2、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IGBTAN-TrenchStop-1Author:Wolfgang Frank/doc/f999bed180eb6294dd886c8b.html/IGBT分离器件与电源管理1概述本文讨论了英飞凌（Infineon）最新一代击穿电压V(Br)=600V、采用TrenchStop TM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

3、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T SC和短路耐受电流I SC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1所列。2TrenchStop 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（FieldStop Technology ）1图1是传统NPT-IGBT （左）与field

4、stop 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V CE(sat)的主要决定因素。衬底越厚，饱和电压越大。图1传统的NPT-IGBT 和Fieldstop IGBT 在关断状态的剖面和电场分布这个传统NPT-IGBT 中

5、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

6、占有不小的比例。2.2沟槽栅(Trench gate)饱和电压V CE(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

7、电压的降低受到限制。用沟槽栅技术的TrenchstopIGBT 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3是归一化单位额定电流，其开关能量E ts /A （T j =25）的典型值和T j =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

8、高而迅速增大；V CE （sat ）具有负温度系数，这使它几乎不可能并联使用。图2传统的IGBT 技术（左）和带有电场中止层的沟槽栅技术（右）图3开关能E ts 和饱和电压V CE(sat)构成的FOM 平面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。3TrenchStop-IGBT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

9、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T C=100、额定电流I C=10A的器件。图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4只给出了150的曲线。之所以如此，

10、是为了可以与只能工作到150的Fast-IGBT进行直接对比。图4Trenchstop-IGBT（IKP10N60T，橘红色）和Fast-IGBT（SKP10N60A,兰色）在25（实线）和150（虚线）的输出特性曲线4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。

11、图5IKP10N60T（较重色）与SKP10N60A（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

12、术）二极管的性能，使开通功耗减到最小。具有上升时间t r=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电磁干扰(EMI)开通与关断晶体管时对EMI谱的影响主要由集电极

13、发射极电压V CE(sat) （t）和集电极电流I C（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d i/dt和d V/dt情况如图6所示，测试温度是150。显而易见，关断过程中IKP10N60T图6开通（蓝色）与关断（紫色）过程中电压（上图）和电流（下图）的变化速率的电流变化速率远低于Fast-IGBT ，这与第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6中Trenchstop 的其他

14、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

15、，它的短路鲁棒性（抗短路能力）是在T j =150，V GE =15V 和V CC =400V 的条件下短路耐受时间为t SC =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

16、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600VTrenchstop 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7所示的是对Trenchstop IGBT 施加一个V GE =15V 、I C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

17、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7IKP10N60T 的短路7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P Vtot中IGBT和续流二极管的通态损耗之和（P VCl+P VCD）仍占绝大部分。尤其是二极管的开关损耗P

18、 VSD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R thJ-A的增加考虑了进去。这样一来，Trench

19、stop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-2。图8采用IKP20N60T（Trenchstop）和SKW20N60（Fast-IGBT）的变换器的每一支路的功率损耗比较，Iout,rms=20A，Cos=0.7Cos8术语一览表通用符号:专用符号:A.横截面积A L.电感因数b,B.磁感应强度V(BR)CES.IGBT的集射击穿电压d,D.工作周期f.频率V F.二极管的正向电压i,I.电流V rrm.二极管的最大反向电压N.翻转数p,P.功率t,T.时间,时间间隔W.能量.效率大写字母:常数值和时间间隔K1,K2.铁芯常数小写字母:随时间变化值元件:C.电容D.二极管IC.集成电路L.电感R.电阻TR.变压器角标:AC.交流值fmin.最小频率时的值DC.直流值i.工作变量BE.基射值in.输入值CS.电流敏感值max.最大值OPTO