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用于单端谐振逆变器之FS SA T IGBT
 

【作者: Jae-Eul Yeon 及 Min-Young Park】2013年06月04日 星期二

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高压 IGBT 的性能已得到极大改进。当今最流行的 IGBT 技术为场截止 IGBT(Field Stop IGBT),该技术结合贯穿型(PT)及非贯穿型(NPT)IGBT 结构的优点,同时克服每种结构的缺点。 FS IGBT 在导通期间具有更低的饱和电压降 VCE(sat),且在关断瞬间具有更低的开关损失。然而,与所有其它类型的 IGBT 一样,由于没有内嵌体二极体,它在大多数开关应用中通常与额外的快速恢复二极体 (FRD) 一起封装。


本文将介绍快捷半导体之第二代1400V 场截止阳极短路沟槽式(Field Stop-Shorted Anode Trench)IGBT ,与一般IGBT 不同,它具有内嵌体二极体,且其在单端(Single Ended)谐振逆变器中的有效性适用于感应加热(Induction Heating) 应用。


场截止阳极短路沟槽式 IGBT

虽然非贯穿型(NPT)IGBT 透过降低少数载流子的注入量及提高关断过渡期间的重合率加快了关断速度,但由于其更高的VCE(sat) 而对于某些高功率应用并不可取,因为它的n- 漂移层必须为轻掺杂,故需要较厚的漂移层以维持在关断状态期间的电场,如图1(a)所示,n- 漂移层的厚度是IGBT中饱和电压降的主要因素。


图一 : NPT IGBT(左)及场截止 IGBT(右)
图一 : NPT IGBT(左)及场截止 IGBT(右)

透过在 n- 漂移层及 p+ 集电极之间插入 n 掺杂场截止层,如图 1(b)所示,可减小 n- 漂移层的厚度。这就是场截止概念,应用场截止概念的 IGBT 被称为场截止 IGBT(FS IGBT)。在 FS IGBT 中,电场在场截止层内急剧降低,而在 n- 漂移层内则逐渐降低。因此,漂移层厚度及饱和电压降可显著降低。沟槽式闸结构也改善了饱和电压降。此外,FS IGBT 的场截止层在关断瞬间加速多数载流子复合,因此,其尾电流远小于 NPT 或 PT IGBT。 这就导致更低的开关损失。


然而,传统的 FS IGBT 因其 p-、n-、n 及 p+ 结构而无内嵌体二极体,这与 PT 及 NPT IGBT 类似。因此,它在大多数应用中须与额外的快速恢复二极体(FRD)一起封装。然而,最近出现了一个可将体二极体嵌入 IGBT (如 MOSFET)的新构思。这称之为阳极短路 IGBT(SA IGBT)。图 2 显示了将阳极短路构思应用到场截止沟槽式 IGBT 的概念。阳极短路场截止沟槽式 IGBT(FS SA T IGBT)的主要构思是间歇性地在 p+ 集电极层插​​入 n+ 集电极。 在此情况下,n+ 集电极直接接触场截止层并作为 PN 二极体的阴极,而 p+ 集电极层则作为 FS T IGBT 的总集电极。



图二 : 场截止阳极短路沟槽式 IGBT
图二 : 场截止阳极短路沟槽式 IGBT

快捷半导体最近开发了第二代 FS SA T IGBT。透过非常先进的场截止技术,1400V 的崩溃电压 BVCES 得到了保证,而之前版本只有 1200V 的 BVCES,且最佳竞争元件也只有 1350V 的BVCES。与第一代元件相比,该新型元件的开关性能也有极大改进,同时其 VCE(sat) 略为偏高。此外,该新型元件具有更小的晶片尺寸,因此它也提供了更佳的成本效益 – 该新型元件的晶片尺寸是之前元件的 77%,最佳竞争元件的 86%。


实验结果

单端(SE)谐振逆变器是一种 E 类谐振逆变器,并因其更低的成本结构及相对较高的效率而不断得到普及,尤其是在电磁炉及电子锅应用中。 [3-4] 虽然反并行二极体必须用于实现零电压开关(ZVS)导通,但其性能已无关紧要,因此 SE 谐振逆变器也非常适合应用阳极短路 IGBT 概念。为了验证新型 1400V FS SA T IGBT 在 SE 谐振逆变器中的有效性,用电磁炉中的 1.8KW SE谐振逆变器进行了一个实验。


图 3 和图 4 分别显示了开关性能、关断损失及尾电流损失间的比较。结果表明,该新型元件在关断瞬态方面略逊色于之前版本的元件及最佳竞争元件。 FGA20S140P 的关断能量(Eoff)为 127uJ,FGA20S120M 的关断能量为122uJ,最佳竞争元件的关断能量为 103uJ。然而,从尾电流损失来看,该新型元件要远优于之前版本的元件及最佳竞争元件。 FGA20S140P 的尾电流损失为 396uJ,FGA20S120M 的尾电流损失为 960uJ,最佳竞争元件的尾电流损失为 627uJ。 虽然新型元件的过渡关断稍慢且 VCE(sat) 更高,但因其小得多的尾电流,从而可极大降低总电流损失。



图三 : 关断损失比较
图三 : 关断损失比较
图五 : 热性能比较
图五 : 热性能比较

图 5 显示了热性能的比较结果。在最大功率为 1.8KW 时,测得的外壳温度分别为:FGA20S140P,80.2°C;FGA20S120M,82.3°C;最佳竞争产品,80.5°C。相较于之前版本的元件,200V 的崩溃电压得到了改善且高于最佳竞争元件50V,此外,晶片尺寸比其它元件更小,不尽如此,相较于之前版本的元件及最佳竞争元件,该新型元件还显示出更佳的热性能。


结论

本文介绍了一个全新的场截止沟槽式IGBT 概念,即内嵌体二极体的FS SA T IGBT(如MOSFET),且其在单端(SE)谐振逆变器中的有效性适用于感应加热(IH)应用。该新型元件具有略高的 VCE(sat) 及略慢的关断性能,然而,与最佳竞争元件及之前版本的元件相比,其尾电流得到了极大改善。该新型元件的尾电流损失分别是之前版本的元件的 41% 和最佳竞争元件的 63%。因此,该新型元件的热性能略优于之前版本的元件及最佳竞争元件。 该新型元件的晶片尺寸也更小 - 其晶片尺寸分别是之前版本的元件的 77% 及最佳竞争元件的 86%,因此它也可提供更佳的成本效益。


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