第2代FS SA T IGBT可顯著減少單端諧振逆變器總損耗

高壓IGBT的性能顯著提高。現(xiàn)今最常用的IGBT技術(shù)是場(chǎng)截止IGBT(FS IGBT)技術(shù)，它結(jié)合了PT(穿通)和NPT(非穿通)IGBT結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了兩者的缺點(diǎn)。FS IGBT在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)提供較低的飽和壓降VCE(sat)，在關(guān)斷時(shí)刻提供較低的開關(guān)損失。但由于傳統(tǒng)的IGBT不含有固有體二極管，所以大多數(shù)開關(guān)應(yīng)用通常將其與額外FRD封裝在一起。本文將介紹飛兆半導(dǎo)體的第2代1400V場(chǎng)截止Shorted Anode溝道(FS-SA T)IGBT(具有不同于一般IGBT的固有體二極管)在感應(yīng)加熱(IH)系統(tǒng)中的應(yīng)用，并注重介紹它在單端(SE)諧振逆變器中的效率等特性。

場(chǎng)截止Shorted Anode溝道IGBT

雖然NPT(非穿通)IGBT通過在關(guān)閉轉(zhuǎn)換期間減少少數(shù)載流子噴射量并提高復(fù)合率提高了關(guān)閉速度，但由于VCE(sat)較高而不適合某些高功率應(yīng)用，因?yàn)閚-漂移層必須輕摻雜，結(jié)果在關(guān)閉狀態(tài)期間需要較厚的漂移層以維持電場(chǎng)，如圖1(a)所示。n-漂移層的厚度是IGBT中飽和壓降的主要因素。

圖1：NPT IGBT(左)和場(chǎng)截止IGBT(右)。

通過在n-漂移層和p+集電極之間插入n摻雜場(chǎng)截止層，如圖1(b)中所示，可減小n-漂移層的厚度。這是場(chǎng)截止概念，應(yīng)用場(chǎng)截止概念的IGBT稱為場(chǎng)截止IGBT(FS IGBT)。在FS IGBT中，場(chǎng)截止層內(nèi)的電場(chǎng)急劇減小，而在n-漂移層中會(huì)逐漸減小。因此，漂移層的厚度和飽和壓降可顯著降低。溝道柵結(jié)構(gòu)也改善了飽和壓降。此外，F(xiàn)S IGBT的場(chǎng)截止層在關(guān)斷瞬間期間加快了多數(shù)載流子復(fù)合，因此其尾電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于NPT或PT IGBT。這降低了開關(guān)損耗。

然而，傳統(tǒng)FS IGBT由于p-、n-、n、p+結(jié)構(gòu)而不包括類似PT和NPT IGBT的固有體二極管。因此對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，應(yīng)將它與其他FRD封裝在一起。但最近興起一個(gè)新的理念，即像MOSFET一樣將體二極管嵌入到IGBT中。這稱為Shorted Anode IGBT(SA IGBT)。圖2顯示了將Shorted Anode理念移植到場(chǎng)截止溝道IGBT的概念。Shorted Anode場(chǎng)截止溝道IGBT(FS SA T IGBT)的主要理念是將n+集電極間歇地插入到p+集電極層。在這種情況下，n+集電極直接接觸場(chǎng)截止層并用作PN二極管的陰極，而p+集電極層用作FS T IGBT的通用集電極。

圖2：場(chǎng)截止Shorted Anode溝道IGBT。

飛兆半導(dǎo)體最近開發(fā)出第2代FS SA T IGBT。采用非常先進(jìn)的場(chǎng)截止技術(shù)，確保了1400V(BVCES)的擊穿電壓，而前一版本僅有1200V的BVCES，最高競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品僅有1350V的BVCES。新設(shè)備相比第1代設(shè)備，開關(guān)性能大幅改善，同時(shí)具有較高的VCE(sat)。此外，新設(shè)備具有較小的芯片尺寸，因此成本效益更高–新設(shè)備的芯片尺寸是以前的77%，是最佳競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的86%。

表1中比較了關(guān)鍵參數(shù)。

表1：關(guān)鍵參數(shù)比較。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

單端(SE)諧振逆變器是E類諧振逆變器，由于較低的成本結(jié)構(gòu)和相對(duì)較高的效率而得到不斷普及，尤其是在IH爐具和電飯鍋應(yīng)用中。SE諧振逆變器也是Shorted Anode IGBT概念非常適合的應(yīng)用，因?yàn)榉床⒙?lián)二極管的性能無(wú)關(guān)緊要，肅然它必須達(dá)到ZVS導(dǎo)通。為驗(yàn)證新1400V FS SA T IGBT在SE諧振逆變器中的有效性，用IH爐具中的1.8KW SE諧振逆變器進(jìn)行了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。[!--empirenews.page--]

在圖3和圖4中分別說(shuō)明了開關(guān)性能、關(guān)斷和尾電流損失比較。結(jié)果顯示，就關(guān)斷瞬態(tài)而言，新設(shè)備稍遜于以前的設(shè)備和最佳競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。FGA20S140P的關(guān)斷能量(Eoff)為127uJ，而FGA20S120M為122uJ，最佳競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品為103uJ。然而，從尾電流損失角度看，新設(shè)備要比以前的設(shè)備以及最佳競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品優(yōu)越很多。對(duì)于尾電流損失，F(xiàn)GA20S140P為396uJ，F(xiàn)GA20S120M為960uJ，最佳競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品為627uJ。結(jié)果是，新設(shè)備盡管具有稍慢的關(guān)斷轉(zhuǎn)換和較高的VCE(sat)，但因?yàn)槲搽娏餍〉枚?，可顯著減少總損耗。

圖3：關(guān)斷損耗比較。

圖4：尾電流損耗比較。

圖5：熱性能比較。

圖5顯示了熱性能比較結(jié)果。在最大功率1.8kW下測(cè)量的殼體溫度結(jié)果是：FGA20S140P為80.2℃，F(xiàn)GA20S120M為82.3℃，最佳競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品為80.5℃。雖然擊穿電壓200V相比以前的設(shè)備有所改善，高于最佳競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品50V，但芯片尺寸比其他產(chǎn)品小，所以新設(shè)備相比以前的設(shè)備以及最佳競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品顯示出更好的熱性能。

結(jié)論

已經(jīng)出現(xiàn)一個(gè)新的場(chǎng)截止溝道IGBT概念FS SA T IGBT，其像MOSFET一樣嵌入了固有體二極管，并展示了其在感應(yīng)加熱應(yīng)用單端諧振逆變器中的有效性。新設(shè)備具有稍高的VCE(sat)和稍慢的關(guān)斷性能，但是其尾電流比最佳競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品以及以前的版本提高很多。新設(shè)備的尾電流損失是以前設(shè)備的41%，是最佳競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的63%。因此，新設(shè)備的熱性能略好于以前的設(shè)備以及最佳競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。新設(shè)備的芯片尺寸也較小——其芯片尺寸是以前設(shè)備的77%，是競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的86%，因此還可以提供更好的成本效益。