新型IGBT软开关在应用中的损耗分析

本文介绍了集成续流二极管(FWD)的1200V RC-IGBT，并将探讨面向软开关应用的1,200V逆导型IGBT所取得的重大技术进步。

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”。

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。

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600/1,200V IGBT和EMCON二极管的晶圆厚度趋势。对于新型1,200V RC-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)=1.6V@25℃/1.85V@175℃和典型正向电压Vf=1.25V@175℃(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=24ns@25℃和Rg=30Ω(44ns@175℃)。IHW30120R2在下降时间方面是最为出色的：tf=33ns@25℃，Rg=30Ω；tf=40ns@175℃。(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

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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10~20Ω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190V~240V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=15A@Tc=100℃)；

2. 对于2.0kW的应用：IHW20N120R2(Vce=1,200V, Ic=20A@Tc=100℃)；

3. 对于2.2kW的应用：IHW25N120R2(Vce=1,200V, Ic=25A@Tc=100℃)；

4. 对于2.4kW的应用：IHW30N120R2(Vce=1,200V, Ic=30A@Tc=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

本文小结

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。