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技術(shù)詳解:新一代場截止陽極短路IGBT

發(fā)布時(shí)間:2014-08-28 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】本文介紹以類似MOSFET的方式內(nèi)嵌固有體二極管的最新一代陽極短路IGBT。與最佳競爭產(chǎn)品和前代產(chǎn)品相比,該器件具有Eoff較小的特性。總之,新器件使得FS IGBT更適用于不需要高性能反向并聯(lián)二極管的軟開關(guān)應(yīng)用。
 
隨著功率電子和半導(dǎo)體技術(shù)的快速進(jìn)步,各類電力電子應(yīng)用都開始要求用專門、專業(yè)的半導(dǎo)體開關(guān)器件,以實(shí)現(xiàn)成本和性能的共贏。與傳統(tǒng)的非穿通(NPT) IGBT相比,場截止(FS) IGBT進(jìn)一步降低了飽和壓降和開關(guān)損耗。此外,通過運(yùn)用陽極短路(SA)技術(shù)在IGBT裸片上集成反向并聯(lián)二極管這項(xiàng)相對較新的技術(shù),使得FS IGBT非常適合軟開關(guān)功率轉(zhuǎn)換類應(yīng)用。
 
場截止陽極短路溝道IGBT與NPT IGBT的對比
 
雖然NPT(非穿通)IGBT通過減少關(guān)斷過渡期間少數(shù)載流子注入量并提高復(fù)合率而提高了開關(guān)速度,但由于VCE(sat)較高而不適合某些大功率應(yīng)用,因?yàn)槠鋘-襯底必須輕度摻雜,結(jié)果在關(guān)斷狀態(tài)期間需要較厚的襯底來維持電場,如圖. 1(a)所示。–n-襯底的厚度是決定IGBT中飽和壓降的主要因素。
 
傳統(tǒng)NPT IGBT的“n-”漂移層和“p+”集電極之間的“n”型摻雜場截止層(如圖1(b)所示)顯著提高了IGBT的性能。這就是場截止IGBT的概念。在FS IGBT中,電場在場截止層內(nèi)急劇減弱,而在“n-”漂移層中則為逐漸減弱。因此,“n-”漂移層的厚度和飽和壓降得到了顯著改善。溝道柵極結(jié)構(gòu)也改善了飽和壓降。此外,F(xiàn)S IGBT的場截止層在關(guān)斷瞬間可加快多數(shù)載流子復(fù)合,因此其尾電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于NPT或PT IGBT。由此降低了開關(guān)損耗和關(guān)斷能量Eoff。
NPT IGBT(左)和場截止IGBT(右)
圖1: NPT IGBT(左)和場截止IGBT(右)
 
同時(shí),出現(xiàn)了一個(gè)新的概念——陽極短路IGBT(SA IGBT):它允許將體二極管以MOSFET的方式內(nèi)嵌到IGBT中。圖2顯示場截止溝道陽極短路(FS T SA)IGBT概念的基本結(jié)構(gòu),其中,“n+”集電極與場截止層相鄰,作為PN二極管的陰極,而“p+”集電極層作為FS T IGBT的共集電極。
FS SA T IGBT的截面圖
圖2: FS SA T IGBT的截面圖
典型輸出特性對比
圖3: 典型輸出特性對比
 
圖3顯示新陽極短路器件(FGA20S140P)、前代器件(FGA20S120M)和最佳的競爭產(chǎn)品之間的典型輸出特性對比。在額定電流20 A的條件下,F(xiàn)GA20S140P的飽和電壓VCE(sat)是1.9 V,而 FGA20S120M的飽和電壓是1.55 V,最佳競爭產(chǎn)品的飽和電壓是1.6 V。圖4顯示反向恢復(fù)性能對比結(jié)果。SA IGBT的反向恢復(fù)性能稍遜于與IGBT共封裝的超快速恢復(fù)二極管(UFRD)。幸運(yùn)的是,較高的VCE(sat)并不會(huì)對感應(yīng)加熱(IH)應(yīng)用造成危害。
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反向恢復(fù)性能對比
圖4: 反向恢復(fù)性能對比
 
采用已針對感應(yīng)加熱應(yīng)用優(yōu)化了的先進(jìn)場截止陽極短路技術(shù),F(xiàn)airchild最新的二代FS T SA IGBT技術(shù),與以前版本相比,不僅顯著提高了擊穿電壓,而且提高了開關(guān)性能;即使如此,VCE(sat)還是稍顯偏高。采用軟開關(guān)測試設(shè)備得到的關(guān)斷特性對比如圖5所示。FS T SA IGBT的關(guān)斷能為573μJ ,而前一代FGA20S120M的關(guān)斷能為945μJ,而最佳競爭產(chǎn)品的關(guān)斷能則為651 μJ。因此,在此模擬感應(yīng)加熱應(yīng)用的特定軟開關(guān)測試中,新一代FS T SA IGBT器件的關(guān)斷能至少減少了12%!
 Eoff對比
圖5: Eoff對比
 
每個(gè)器件的關(guān)鍵參數(shù)對比如表1所示。
 
表1:關(guān)鍵參數(shù)對比
關(guān)鍵參數(shù)對比
* 在Ioff= 40 A 和dv/dt = 140.1V/μs條件下測量
 
總結(jié)
 
本文介紹以類似MOSFET的方式內(nèi)嵌固有體二極管的最新一代陽極短路IGBT。與最佳競爭產(chǎn)品和前代產(chǎn)品相比,該器件具有Eoff較小的特性??傊缕骷沟肍S IGBT更適用于不需要高性能反向并聯(lián)二極管的軟開關(guān)應(yīng)用。
 
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