新型IGBT軟開關(guān)在應(yīng)用中的損耗

本文介紹了集成續(xù)流二極管(FWD)的1200V RC-IGBT，并將探討面向軟開關(guān)應(yīng)用的1,200V逆導(dǎo)型IGBT所取得的重大技術(shù)進(jìn)步。

IGBT技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：通過采用和改進(jìn)溝槽柵來優(yōu)化垂直方向載流子濃度，以及利用“場(chǎng)終止”概念(也有稱為“軟穿通”或“輕穿通”)降低晶圓n襯底的厚度。

此外，帶有單片二極管的IGBT概念也經(jīng)常被探討。首先投產(chǎn)的逆導(dǎo)型IGBT是針對(duì)電子鎮(zhèn)流器應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的，被稱之為“LightMOS”。

TrenchStop和RC-IGBT技術(shù)

在采用的TrenchStop技術(shù)中，溝槽柵結(jié)合了場(chǎng)終止概念(見圖1中的IGBT)。由于發(fā)射極(陰極)附近的載流子濃度提高，溝槽柵可使得導(dǎo)通損耗降低。場(chǎng)終止概念是NPT概念的進(jìn)一步發(fā)展，包含一個(gè)額外的植入晶圓背面的n摻雜層。

將場(chǎng)終止層與高電阻率的晶圓襯底結(jié)合起來，能使器件的厚度減少大約三分之一，同時(shí)保持相同的阻斷電壓。隨著晶圓厚度的降低，導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗也可進(jìn)一步降低。場(chǎng)終止層摻雜度低，因此不會(huì)影響背面植入的低摻雜p發(fā)射極。為了實(shí)現(xiàn)RC-IGBT，二極管的部分n摻雜背面陰極(圖1)將與IGBT集電極下面的p發(fā)射極結(jié)合起來。

RC-IGBT的溝槽柵概念所基于的技術(shù)與傳統(tǒng)的TrenchStop-IGBT(見圖2)相同，但針對(duì)軟開關(guān)應(yīng)用所需的超低飽和壓降Vce(sat)進(jìn)行了優(yōu)化，比如電磁爐或微波爐應(yīng)用。數(shù)以萬計(jì)的溝槽柵通過金屬(鋁)相連，該金屬鋁層同時(shí)也是連線區(qū)。柵極和發(fā)射極之間的區(qū)域和端子被嵌入絕緣亞胺薄膜里。最新的投產(chǎn)型RC2-IGBT，其溝槽柵極更小，與標(biāo)準(zhǔn)TrenchStop-IGBT相比要多出150%的溝槽柵單元。圖3為基于TrenchStop技術(shù)的最新一代RC2-IGBT的溝槽柵截面圖。

超薄晶圓技術(shù)

由于導(dǎo)通電壓和關(guān)斷損耗在很大程度上取決于晶圓的厚度，因此需要做更薄的IGBT。圖4顯示了英飛凌600/1,200V IGBT和EMCON二極管的晶圓厚度趨勢(shì)。對(duì)于新型1,200V RC-IGBT而言，120um厚度晶圓將是標(biāo)準(zhǔn)工藝。這需要進(jìn)行復(fù)雜的晶圓處理，包括用于正面和背面的特殊處理設(shè)備。將晶圓變薄可通過晶圓打磨和濕式化學(xué)蝕刻工藝實(shí)現(xiàn)。

新型RC2-IGBT的優(yōu)勢(shì)

來自英飛凌的新型RC2-IGBT系列產(chǎn)品是以成熟的TrenchStop技術(shù)為基礎(chǔ)的，具有超低飽和壓降。此外，IGBT還集成了一個(gè)功能強(qiáng)大且正向電壓超低的二極管。

新型RC2-IGBT的優(yōu)勢(shì)是針對(duì)軟開關(guān)應(yīng)用(比如微波爐、電磁爐和感應(yīng)加熱型電飯煲)進(jìn)行優(yōu)化的定制解決方案。與以前的器件相比，RC2-IGBT可提升性能，降低飽和壓降損耗。這可導(dǎo)致非常低的總體損耗，因此所需的散熱器更小。另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是最大結(jié)溫被提高到TvJ(max)=175℃，比普通IGBT芯片提高了25℃。這種結(jié)溫已通過TO-247無鉛封裝的應(yīng)用驗(yàn)證。


圖1：應(yīng)用TrenchStop技術(shù)的RC-IGBT


圖2 ：RC-IGBT芯片(IHW20N120R)前視圖


圖3：基于TrenchStop技術(shù)的最新一代RC2-IGBT的溝槽柵截面圖(溝槽柵里的洞是為分析準(zhǔn)備)


圖4 ：IGBT和二極管晶圓厚度變化

在典型飽和壓降Vce(sat)=1.6V@25℃/1.85V@175℃和典型正向電壓Vf=1.25V@175℃(額定電流)的條件下，功率損(特別是軟開關(guān)應(yīng)用的導(dǎo)通損耗)可大幅度降低。由IHW20N120R2的下降時(shí)間的切線可看出高速度—tf=24ns@25℃和Rg=30Ω(44ns@175℃)。IHW30120R2在下降時(shí)間方面是最為出色的：tf=33ns@25℃，Rg=30Ω；tf=40ns@175℃。(在硬開關(guān)條件下測(cè)量，參見帶有Eoff曲線的圖6和圖7)。



圖5 ：來自英飛凌科技的最新一代RC2-IGBT(IHWxxN120R2，xx=15A、20A、25A和30A)。采用無鉛電鍍TO-247封裝

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圖6 ： 在硬開關(guān)條件下，175℃結(jié)溫以及室溫下IHW20N120R2(IN=20A，Vces=1,200V)和IHW30N120R2(IN=30A)的下降時(shí)間切線



圖7 ：在硬開關(guān)條件下，175℃結(jié)溫以及室溫下RC2-IGBT的Eoff曲線

圖6顯示如果柵極電阻低于30(，下降時(shí)間再度上升。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)良好的EMI行為非常重要。所有市場(chǎng)上相關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)目前使用的柵極電阻都在10~20Ω之間。這個(gè)柵極電阻選用區(qū)域也是最低開關(guān)損耗區(qū)(見圖7)。它具有最低的開關(guān)損耗和合適的EMI表現(xiàn)。



圖8 ：室溫和不同電流條件下IHW20N120R2的飽和壓降與Vf的關(guān)系

圖7和圖8顯示了最新一代RC2-IGBT(IHW20N120R2)的超低飽和壓降Vce(sat)和正向電壓Vf。圖8顯示了1,000片該器件在室溫和不同電流條件下的最低和最高飽和壓降的曲線圖，圖9顯示了它們?cè)诓煌瑴囟群?0A額定電流條件下的飽和壓降曲線圖。



圖9 ：20A標(biāo)稱電流和不同溫度下IHW20N120R2的飽和壓降與Vf的關(guān)系

電壓諧振電路里的RC-IGBT

圖10顯示了用于軟開關(guān)應(yīng)用的典型電壓諧振電路。


圖10 ：用于軟開關(guān)應(yīng)用的電壓諧振電路圖

對(duì)于190V~240V交流輸入電壓而言，RC-IGBT具有低飽和壓降和正向電壓：

1. 對(duì)于1.8kW的應(yīng)用：IHW15N120R2(Vce=1,200V, Ic=15A@Tc=100℃)；

2. 對(duì)于2.0kW的應(yīng)用：IHW20N120R2(Vce=1,200V, Ic=20A@Tc=100℃)；

3. 對(duì)于2.2kW的應(yīng)用：IHW25N120R2(Vce=1,200V, Ic=25A@Tc=100℃)；

4. 對(duì)于2.4kW的應(yīng)用：IHW30N120R2(Vce=1,200V, Ic=30A@Tc=100℃)。

為了測(cè)量IGBT的集電極電流Ice，應(yīng)在發(fā)射極和地之間使用超低阻值的取樣電阻器。圖11為Vce和Ic的波形(搪瓷燒鍋負(fù)載)。工作頻率為29.1kHz，LC電路在諧振范圍之外(電磁爐的溫度模式為50℃)。



圖11： 1.8kW電磁爐應(yīng)用(IHW20N120R2)的電壓諧振電路波形

本文小結(jié)

針對(duì)軟開關(guān)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的RC-IGBT技術(shù)可大幅度降低飽和壓降造成的損耗。最大結(jié)溫提升到175℃進(jìn)一步增強(qiáng)了芯片的電流能力。關(guān)斷開關(guān)損耗以及發(fā)射極關(guān)斷電流幾乎沒有變化。