流程改進提高效率IGBT為電機驅(qū)動應(yīng)用

當選擇的IGBT，設(shè)計者面臨著一些架構(gòu)選擇，可以有利于IGBT的一種形式中，如對稱與不對稱阻塞，在另一個的。本文將回顧由不同的IGBT架構(gòu)所提供的設(shè)計方案。

該絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是用于電機驅(qū)動應(yīng)用由于其高阻斷電壓和低成本相比功率MOSFET具有類似額定電壓的共同選擇。該技術(shù)允許對可變頻率的驅(qū)動器，其被視為好為節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計。

在IGBT提供需要用來驅(qū)動重要逆變器級的開關(guān)能力。通常情況下，一個600 V阻斷電壓等級是需要從200-240 VAC操作驅(qū)動器主電源，具有1200 V青睞于460 VAC的應(yīng)用。

從功率MOSFET IGBT的結(jié)構(gòu)演變在80年代期間，響應(yīng)于需要增加的阻斷電壓。這是通過增加一個額外的PN結(jié)到MOSFET架構(gòu)的漏極，形成雙極晶體管結(jié)構(gòu)和整體NPNP半導(dǎo)體實現(xiàn)。與目前制造大多數(shù)功率晶體管，該晶體管的結(jié)構(gòu)是垂直的而不是水平的，與上述PNP雙極性晶體管放置在管芯的背面?zhèn)鹊募姌O。 AP或P +的浴盆，其中包含N摻雜阱連接的源極/發(fā)射極和柵極區(qū)。電流流經(jīng)該浴池進入一個比較寬的N摻雜漂移區(qū)進入收集器。然而，因為它有一個MOSFET的絕緣柵，該裝置作為一個整體保持電壓控制而不是電流控制。互鎖雙極晶體管的增益需要被仔細控制以抑制操作作為NPNP晶閘管。

雖然它一般提供較高的電壓隔離比的MOSFET，一個IGBT的架構(gòu)意味著它不能切換為快，這限制了在逆變器中使用的開關(guān)頻率，盡管在設(shè)備施工的最新進展已經(jīng)推動有效開關(guān)頻率向100千赫。效率的IGBT是由MOSFET的比低通態(tài)壓降提高。此外，高電流密度可以更高的額定功率，以用更小的芯片比同等MOSET，從而提高了成本效益達到。

早期方法與IGBT包括設(shè)計的對稱結(jié)構(gòu)，也被稱為反向阻斷架構(gòu)。這些同時具有正向和反向阻斷能力，它們的適合于AC應(yīng)用如基質(zhì)(交流 - 交流)轉(zhuǎn)換器或三電平逆變器。非對稱結(jié)構(gòu)僅保持正向阻斷能力，但往往會被更廣泛地采用比對稱結(jié)構(gòu)，因為它們通常提供比對稱的IGBT低通態(tài)壓降。非對稱結(jié)構(gòu)適合DC應(yīng)用，如變速電動機控制。但是，IGBT的電機控制應(yīng)用往往涉及電感性負載，并且通常硬開關(guān)，要求在IGBT并行使用與續(xù)流二極管，以允許反向電流流動在這些拓撲結(jié)構(gòu)。然而，這種二極管通常會提供的性能比的等效功率MOSFET體二極管高。

另一個區(qū)別是的IGBT穿通(PT)和非穿通型(NPT)體系結(jié)構(gòu)之間。在PT設(shè)計主要是用于降低隔離的電壓和使用生長在P +基底和集電區(qū)的N +區(qū)域。當設(shè)備被關(guān)閉時，在N漂移變得完全耗盡載體，一個效果，即入在N +層下面，但不通過它完全到達進入收集“通過沖頭”。其結(jié)果是一個非常薄的N區(qū)域，最大限度地減少接通電壓。附加的N +層也改善了開關(guān)速度通過減少被注入到P +基底過量空穴的數(shù)目。當設(shè)備關(guān)閉，這些運營商正在迅速刪除。

不幸的是，高摻雜引入大量需要的IGBT后取出關(guān)掉少數(shù)載流子，這增加了轉(zhuǎn)換時間，并與在效率損失。這是一個主要的原因是較低的開關(guān)頻率相比，功率MOSFET。 PT IGBT的也可以免受熱失控受損。

該條約的開發(fā)是為了避免在PT架構(gòu)的主要問題，并刪除在N +緩沖層。然而，它們都經(jīng)過精心設(shè)計，以避免讓電場滲透一路通過向集電器。該晶體管通常由不同為PT裝置。代替外延形成的N個區(qū)域上的P摻雜的襯底的頂部上的，NPT晶體管通常使用N摻雜襯底與生長在背面集電極區(qū)制成。

通過減薄晶圓，以100μm或更​​小，它可能使用一個非常-輕摻雜集電極區(qū)并且仍然實現(xiàn)低電阻和高的性能。使用更輕摻雜的減少，可以被存儲在它導(dǎo)通時其轉(zhuǎn)化為更好的開關(guān)性能，因為有較少的載波需要時，該設(shè)備被切換到被殺死器件，電荷量。

該FGP10N60和FGP15N60飛兆半導(dǎo)體利用NPT的技術(shù)支持一系列的電機驅(qū)動應(yīng)用。他們提供短路電阻高達10微秒，在150℃下表現(xiàn)出約2 V的飽和電壓支持高開關(guān)速度，晶體管展覽剛剛超過55 ns的關(guān)斷延遲時間。

制造商如國際整流器幾乎十年前搬到一個溝槽結(jié)構(gòu)。該溝槽結(jié)構(gòu)不僅允許更高的通道密度通過降低柵極和基極區(qū)的有效直徑，它增強堆積層的電荷注入，降低了寄生JFET從中舊平面設(shè)計受到的影響。對于給定的開關(guān)頻率，該溝槽結(jié)構(gòu)減少了傳導(dǎo)和相對于傳統(tǒng)的PT和NPT結(jié)構(gòu)開關(guān)損耗。溝道IGBT現(xiàn)在是在一個大范圍內(nèi)許多廠商的評級可用。 IR自己的范圍涵蓋關(guān)鍵600 V和1200 V阻斷電壓范圍。

一個典型的裝置中，IRGB4060，是打包帶軟恢復(fù)反向二極管，并提供一個關(guān)斷延遲時間縮短到95納秒，以支持相對高的開關(guān)頻率的為1.55V晶體管。

增加一個場終止區(qū)域，以一個薄晶圓NPT裝置能夠在性能上的幾個進一步的改進。有點類似于在PT概念，該層站的電場，從而允許使用為同一高擊穿電壓的薄晶片。通過控制兩個場闌和p +集電極層中的載流子濃度能夠提高背面結(jié)的發(fā)射極效率。其結(jié)果是，場站提供具有低VCE的設(shè)備上更快的轉(zhuǎn)換(飽和)成為可能，更薄的晶片。

場終止技術(shù)已經(jīng)使得它更容易集成需要許多電路與IGBT本身的續(xù)流二極管。例子倒在TRENCHSTOP家庭英飛凌科技設(shè)備。許多家庭成員的形成二極管作為核心IGBT元件的一部分，通過該裝置使反向電流導(dǎo)通。他人提供的應(yīng)用，如電機控制由封裝內(nèi)集成二極管優(yōu)化二極管技術(shù)，如IKD06N60RF，它支持的開關(guān)速度為電機控制多達30千赫。

IGBT的對TRENCHSTOP進程英飛凌演變形象

圖1：IGBT的對TRENCHSTOP進程英飛凌的演變。

IXYS已開發(fā)多個系列的場站體系，最終在第3代和GEN4家庭。該GEN4架構(gòu)將溝槽拓撲與“極端光穿通”的第3代的(XPT)場站設(shè)計，支持低通態(tài)電壓和快速關(guān)斷的組合，以最大限度地降低開關(guān)損耗。

這些裝置顯示出正方形反向偏置安全工作區(qū)(RBSOA)形狀高達650伏的擊穿電壓和標稱電流的兩倍，在高溫下，相適應(yīng)他們無緩沖器硬開關(guān)應(yīng)用。該設(shè)備可以被共打包帶反并聯(lián)二極管，設(shè)有只要10微秒，在150℃下的高溫短路堅固性。

經(jīng)典與IXYS XPT架構(gòu)之間的差異圖片

圖2：經(jīng)典IXYS XPT架構(gòu)之間的差異。

在設(shè)備施工，如晶圓減薄和改善興奮劑控制和器件結(jié)構(gòu)的進一步發(fā)展可能會增加IGBT的性能，提供了功率MOSFET與激烈的競爭在高效電機驅(qū)動應(yīng)用，特別是在成本是一個重要的考慮因素。