采用IGBT优化软开关应用中的损耗

1、采用IGBT优化软开关应用中的损耗中心议题： · IGBT种的TrenchStop和RC-IGBT技术 · RC2-IGBT的技术优势对比 · 降低饱和压降造成的损耗对比 IGBT技术进步主要体现在两个方面：通过采用和改进沟槽栅来优化垂直方向载流子浓度，以及利用“场终止”概念(也有称为“软穿通”或“轻穿通”)降低晶圆n衬底的厚度。此外，带有单片二极管的IGBT概念也经常被探讨。首先投产的逆导型IGBT是针对电子镇流器应用进行优化的，被称之为“LightMOS”。本文介绍了集成续流二极管(FWD)的1200VRC-IGBT，并将探讨面向软开关应用的1,200V逆导型

2、IGBT所取得的重大技术进步。TrenchStop和RC-IGBT技术在采用的TrenchStop技术中，沟槽栅结合了场终止概念(见图1中的IGBT)。由于发射极(阴极)附近的载流子浓度提高，沟槽栅可使得导通损耗降低。场终止概念是NPT概念的进一步发展，包含一个额外的植入晶圆背面的n掺杂层。将场终止层与高电阻率的晶圆衬底结合起来，能使器件的厚度减少大约三分之一，同时保持相同的阻断电压。随着晶圆厚度的降低，导通损耗和关断损耗也可进一步降低。场终止层掺杂度低，因此不会影响背面植入的低掺杂p发射极。为了实现RC-IGBT，二极管的部分n掺杂背面阴极(图1)将与IGBT集电极下面的p发射极结合起来。R

3、C-IGBT的沟槽栅概念所基于的技术与传统的TrenchStop-IGBT(见图2)相同，但针对软开关应用所需的超低饱和压降Vce(sat)进行了优化，比如电磁炉或微波炉应用。数以万计的沟槽栅通过金属(铝)相连，该金属铝层同时也是连线区。栅极和发射极之间的区域和端子被嵌入绝缘亚胺薄膜里。最新的投产型RC2-IGBT，其沟槽栅极更小，与标准TrenchStop-IGBT相比要多出150%的沟槽栅单元。图3为基于TrenchStop技术的最新一代RC2-IGBT的沟槽栅截面图。超薄晶圆技术由于导通电压和关断损耗在很大程度上取决于晶圆的厚度，因此需要做更薄的IGBT。图4显示了英飞凌600/1,20

4、0VIGBT和EMCON二极管的晶圆厚度趋势。对于新型1,200VRC-IGBT而言，120um厚度晶圆将是标准工艺。这需要进行复杂的晶圆处理，包括用于正面和背面的特殊处理设备。将晶圆变薄可通过晶圆打磨和湿式化学蚀刻工艺实现。新型RC2-IGBT的优势来自英飞凌的新型RC2-IGBT系列产品是以成熟的TrenchStop技术为基础的，具有超低饱和压降。此外，IGBT还集成了一个功能强大且正向电压超低的二极管。新型RC2-IGBT的优势是针对软开关应用(比如微波炉、电磁炉和感应加热型电饭煲)进行优化的定制解决方案。与以前的器件相比，RC2-IGBT可提升性能，降低饱和压降损耗。这可导致非常低的总

5、体损耗，因此所需的散热器更小。另外一个优势是最大结温被提高到TvJ(max)=175，比普通IGBT芯片提高了25。这种结温已通过TO-247无铅封装的应用验证。图1：应用TrenchStop技术的RC-IGBT图2：RC-IGBT芯片(IHW20N120R)前视图图3：基于TrenchStop技术的最新一代RC2-IGBT的沟槽栅截面图(沟槽栅里的洞是为分析准备)图4：IGBT和二极管晶圆厚度变化在典型饱和压降Vce(sat)=1.6V25/1.85V175和典型正向电压Vf=1.25V175(额定电流)的条件下，功率损(特别是软开关应用的导通损耗)可大幅度降低。由IHW20N120R2的下

6、降时间的切线可看出高速度tf=24ns25和Rg=30(44ns175)。IHW30120R2在下降时间方面是最为出色的：tf=33ns25，Rg=30；tf=40ns175。(在硬开关条件下测量，参见带有Eoff曲线的图6和图7)。图5：来自英飞凌科技的最新一代RC2-IGBT(IHWxxN120R2，xx=15A、20A、25A和30A)。采用无铅电镀TO-247封装图6：在硬开关条件下，175结温以及室温下IHW20N120R2(IN=20A，Vces=1,200V)和IHW30N120R2(IN=30A)的下降时间切线图7：在硬开关条件下，175结温以及室温下RC2-IGBT的Eoff

7、曲线图6显示如果栅极电阻低于30(，下降时间再度上升。这对于实现良好的EMI行为非常重要。所有市场上相关应用设计目前使用的栅极电阻都在1020之间。这个栅极电阻选用区域也是最低开关损耗区(见图7)。它具有最低的开关损耗和合适的EMI表现。图8：室温和不同电流条件下IHW20N120R2的饱和压降与Vf的关系图7和图8显示了最新一代RC2-IGBT(IHW20N120R2)的超低饱和压降Vce(sat)和正向电压Vf。图8显示了1,000片该器件在室温和不同电流条件下的最低和最高饱和压降的曲线图，图9显示了它们在不同温度和20A额定电流条件下的饱和压降曲线图。图9：20A标称电流和不同温度下IH

8、W20N120R2的饱和压降与Vf的关系电压谐振电路里的RC-IGBT图10显示了用于软开关应用的典型电压谐振电路。图10：用于软开关应用的电压谐振电路图对于190V240V交流输入电压而言，RC-IGBT具有低饱和压降和正向电压：1.对于1.8kW的应用：IHW15N120R2(Vce=1,200V,Ic=15ATc=100)；2.对于2.0kW的应用：IHW20N120R2(Vce=1,200V,Ic=20ATc=100)；3.对于2.2kW的应用：IHW25N120R2(Vce=1,200V,Ic=25ATc=100)；4.对于2.4kW的应用：IHW30N120R2(Vce=1,200V,Ic=30ATc=100)。为了测量IGBT的集电极电流Ice，应在发射极和地之间使用超低阻值的取样电阻器。图11为Vce和Ic的波形(搪瓷烧锅负载)。工作频率为29.1kHz，LC电路在谐振范围之外(电