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 I
2、GBT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 I
3、GBT 集电极下面的 p 发射极结合起来。RC-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
4、决于晶圆的厚度，因此需要做更薄的IGBT。图 4 显示了英飞凌 600/1,200VIGBT 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
5、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)=1.6V2
6、5/1.85V175 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
7、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 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(IHW
8、20N120R2)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 IHW20N120R2 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,I
9、c=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(电磁炉的温度模式为 50) 。图 11：1.8kW 电磁炉应用(IHW20N120R2)的电压谐振电路波形针对软开关应用进行优化的 RC-IGBT 技术可大幅度降低饱和压降造成的损耗。最大结温提升到 175进一步增强了芯片的电流能力。关断开关损耗以及发射极关断电流几乎没有变化。
