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軟開關應用中的損耗最佳化

上網時間: 2006年11月09日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:IGBT  TrenchStop  反向型IGBT  RC-IGBT  單片整合反向二極體 

IGBT技術進步主要展現在兩方面:透過採用和改進溝槽單元以最佳化垂直方向載子濃度,以及利用‘場終止(field stop)’概念(也有稱為‘軟穿透’或‘輕穿透’)降低晶圓n底板的厚度。此外,具有單片二極體的IGBT概念也經常被探討。首先投產的反向型IGBT是針對電子整流器應用進行最佳化的,被稱之為‘LightMOS’。本文將介紹整合飛輪二極體(FWD)的1,200V RC-IGBT

採用英飛凌專有TrenchStop技術的溝槽單元結合了場終止概念(見圖1中的IGBT)。由於射極(陰極)附近的載子濃度提高,溝槽單元可降低導通損耗。場終止概念是NPT概念的進一步發展,包含一個額外植入晶圓背面的n摻雜層。

將場終止層與高電阻率的晶圓基板結合,能使元件的厚度減少大約三分之一,同時保持相同的阻斷電壓。隨著晶圓厚度的降低,導通損耗和切斷損耗也可進一步降低。

由於場終止層摻雜度低,因此不會影響背面植入的低摻雜p射極。為了實現RC-IGBT(見圖1中的RC-IGBT),二極體的部份n摻雜背面陰極(參見圖1中的二極體)將與IGBT背面位於集電極下的p射極結合。

RC-IGBT的溝槽單元概念採用的技術與傳統TrenchStop-IGBT(圖2)相同,但針對軟開關(soft-switching)應用所需的超低飽和壓降Vce(sat)進行了最佳化,適合電磁爐或微波爐等應用。數以萬計的溝槽單元透過金屬(鋁)連接射極與陰極,該金屬鋁層同時也是連線區。閘極和射極之間的區域和端子被嵌入到絕緣聚醯亞胺薄膜裡。以最新的RC2-IGBT為例,其溝槽單元更小,與標準TrenchStop-IGBT相較要多出150%的溝槽單元。圖3為基於TrenchStop技術的最新一代RC2-IGBT的溝槽單元截面圖。


圖1:應用TrenchStop技術的RC-IGBT


圖2 :RC-IGBT晶片(IHW20N120R)前視圖


圖3:基於TrenchStop技術的最新一代RC2-IGBT的溝槽單元截面圖(溝槽單元裡的洞做為分析準備)

超薄晶圓技術

由於導通電壓和切斷損耗在很大程度上取決於晶圓的厚度,因此有必要實現更薄的IGBT。圖4顯示了英飛凌600V/1,200V IGBT和EMCON二極體的晶圓厚度趨勢。對於新型1,200V RC-IGBT而言,120um厚度晶圓將是標準製程。這需要進行複雜的晶圓處理,包括用於正面和背面的特殊處理設備。將晶圓變薄可透過晶圓研磨和濕式化學蝕刻製程實現。


圖4 :IGBT和二極體晶圓厚度變化

新型RC2-IGBT優勢

RC2-IGBT採用成熟的TrenchStop技術,具有超低飽和壓降。此外,IGBT還整合了一個功能強大且正向電壓超低的二極體。新型RC2-IGBT的優勢是針對軟開關應用(如微波爐、電磁爐和感應加熱型電鍋)進行最佳化的定製解決方案。與前一代元件相較,RC2-IGBT可提升性能,降低飽和壓降損耗。這可實現非常低的整體損耗,因此所需的散熱器更小。


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

另一項優勢是最大接點溫度被提高到TvJ(max)=175°,比普通IGBT晶片提高了25°。這種接點溫度已通過TO-247無鉛封裝的應用驗證。

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)條件下,功率損耗,特別是軟開關應用的導通損耗可大幅度降低。由IHW20N120R2的下降時間的切線可看出其非常高的速度─tf=24ns@25℃和Rg=30Ohm(44ns@175℃)。IHW30120R2擁有良好的下降時間:tf=33ns@25℃,Rg=30Ohm;tf=40ns@175℃。(在硬開關條件下測量,參見具有Eoff曲線的圖6和圖7)。


圖6 : 在硬開關條件下,175℃接點溫度以及室溫下IHW20N120R2(IN=20A,Vces=1,200V)和IHW30N120R2(IN=30A)的下降時間切線


圖7 :在硬開關條件下,175℃接點溫度以及室溫下RC2-IGBT的Eoff曲線

圖6顯示如果閘極電阻低於30%,下降時間將再度上升。這對於實現良好的EMI非常重要。所有市場上相關應用設計目前使用的閘極電阻都在10Ω到20Ω之間。這個閘極電阻選用區域也是最低開關損耗區(見圖7)。它具有最低的開關損耗與合適的EMI表現。

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片該元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顯示了它們在不同溫度和20A額定電流條件下的飽和壓降曲線圖。


圖8 :室溫和不同電流條件下IHW20N120R2的飽和壓降與Vf的關係


圖9 :20A標稱電流和不同溫度下IHW20N120R2的飽和壓降與Vf的關係

電壓諧振電路裡的RC-IGBT

圖10顯示了用於軟開關應用的典型電壓諧振電路。為測量IGBT的集電極電流ice,應在射極和地之間使用超低阻值的取樣電阻器。圖11展示了Vce和ic的波形,工作頻率為29.1kHz,LC電路在諧振範圍之外(電磁爐溫度模式為50℃)。


圖10 :用於軟開關應用的電壓諧振電路圖


圖11: 1.8kW電磁爐應用(IHW20N120R2)的電壓諧振電路波形

本文小結

針對軟開關應用進行最佳化的RC-IGBT技術可大幅度降低飽和壓降造成的損耗。最大接點溫度提升到175℃進一步增強了晶片的電流能力,但切斷開關損耗以及射極切斷電流幾乎沒有變化。

作者:O.Hellmund

Oliver.Hellmund@infineon.com

陳子穎

Simon.Chen@infineon.com

W.Frank

英飛凌科技




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