帳號:
密碼:
CTIMES / 文章 /   
用於單端諧振逆變器之FS SA T IGBT
 

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

瀏覽人次:【9582】
  

高壓 IGBT 的性能已得到極大改進。 當今最流行的 IGBT 技術為場截止 IGBT(Field Stop IGBT),該技術結合貫穿型(PT)及非貫穿型(NPT)IGBT 結構的優點,同時克服每種結構的缺點。 FS IGBT 在導通期間具有更低的飽和電壓降 VCE(sat),且在關斷瞬間具有更低的開關損失。 然而,與所有其它類型的 IGBT 一樣,由於沒有內嵌體二極體,它在大多數開關應用中通常與額外的快速恢復二極體 (FRD) 一起封裝。


本文將介紹快捷半導體之第二代 1400V 場截止陽極短路溝槽式(Field Stop-Shorted Anode Trench)IGBT ,與一般 IGBT 不同,它具有內嵌體二極體,且其在單端(Single Ended)諧振逆變器中的有效性適用於感應加熱(Induction Heating) 應用。


場截止陽極短路溝槽式 IGBT

雖然非貫穿型(NPT)IGBT 透過降低少數載流子的注入量及提高關斷過渡期間的重合率加快了關斷速度,但由於其更高的 VCE(sat) 而對於某些高功率應用並不可取,因為它的 n- 漂移層必須為輕摻雜,故需要較厚的漂移層以維持在關斷狀態期間的電場,如圖 1(a)所示,n- 漂移層的厚度是 IGBT 中飽和電壓降的主要因素。


圖一 : NPT IGBT(左)及場截止 IGBT(右)
圖一 : NPT IGBT(左)及場截止 IGBT(右)

透過在 n- 漂移層及 p+ 集電極之間插入 n 摻雜場截止層,如圖 1(b)所示,可減小 n- 漂移層的厚度。 這就是場截止概念,應用場截止概念的 IGBT 被稱為場截止 IGBT(FS IGBT)。 在 FS IGBT 中,電場在場截止層內急劇降低,而在 n- 漂移層內則逐漸降低。 因此,漂移層厚度及飽和電壓降可顯著降低。 溝槽式閘結構也改善了飽和電壓降。 此外,FS IGBT 的場截止層在關斷瞬間加速多數載流子複合,因此,其尾電流遠小於 NPT 或 PT IGBT。 這就導致更低的開關損失。


然而,傳統的 FS IGBT 因其 p-、n-、n 及 p+ 結構而無內嵌體二極體,這與 PT 及 NPT IGBT 類似。 因此,它在大多數應用中須與額外的快速恢復二極體(FRD)一起封裝。 然而,最近出現了一個可將體二極體嵌入 IGBT (如 MOSFET)的新構思。 這稱之為陽極短路 IGBT(SA IGBT)。 圖 2 顯示了將陽極短路構思應用到場截止溝槽式 IGBT 的概念。 陽極短路場截止溝槽式 IGBT(FS SA T IGBT)的主要構思是間歇性地在 p+ 集電極層插入 n+ 集電極。 在此情況下,n+ 集電極直接接觸場截止層並作為 PN 二極體的陰極,而 p+ 集電極層則作為 FS T IGBT 的總集電極。



圖二 : 場截止陽極短路溝槽式 IGBT
圖二 : 場截止陽極短路溝槽式 IGBT

快捷半導體最近開發了第二代 FS SA T IGBT。 透過非常先進的場截止技術,1400V 的崩潰電壓 BVCES 得到了保證,而之前版本只有 1200V 的 BVCES,且最佳競爭元件也只有 1350V 的BVCES。 與第一代元件相比,該新型元件的開關性能也有極大改進,同時其 VCE(sat) 略為偏高。 此外,該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 – 該新型元件的晶片尺寸是之前元件的 77%,最佳競爭元件的 86%。


實驗結果

單端(SE)諧振逆變器是一種 E 類諧振逆變器,並因其更低的成本結構及相對較高的效率而不斷得到普及,尤其是在電磁爐及電子鍋應用中。[3-4] 雖然反並行二極體必須用於實現零電壓開關(ZVS)導通,但其性能已無關緊要,因此 SE 諧振逆變器也非常適合應用陽極短路 IGBT 概念。 為了驗證新型 1400V FS SA T IGBT 在 SE 諧振逆變器中的有效性,用電磁爐中的 1.8KW SE諧振逆變器進行了一個實驗。


圖 3 和圖 4 分別顯示了開關性能、關斷損失及尾電流損失間的比較。 結果表明,該新型元件在關斷瞬態方面略遜色於之前版本的元件及最佳競爭元件。 FGA20S140P 的關斷能量(Eoff)為 127uJ,FGA20S120M 的關斷能量為122uJ,最佳競爭元件的關斷能量為 103uJ。 然而,從尾電流損失來看,該新型元件要遠優於之前版本的元件及最佳競爭元件。 FGA20S140P 的尾電流損失為 396uJ,FGA20S120M 的尾電流損失為 960uJ,最佳競爭元件的尾電流損失為 627uJ。 雖然新型元件的過渡關斷稍慢且 VCE(sat) 更高,但因其小得多的尾電流,從而可極大降低總電流損失。



圖三 : 關斷損失比較
圖三 : 關斷損失比較
圖五 : 熱性能比較
圖五 : 熱性能比較

圖 5 顯示了熱性能的比較結果。 在最大功率為 1.8KW 時,測得的外殼溫度分別為:FGA20S140P,80.2°C;FGA20S120M,82.3°C;最佳競爭產品,80.5°C。 相較於之前版本的元件,200V 的崩潰電壓得到了改善且高於最佳競爭元件 50V,此外,晶片尺寸比其它元件更小,不盡如此,相較於之前版本的元件及最佳競爭元件,該新型元件還顯示出更佳的熱性能。


結論

本文介紹了一個全新的場截止溝槽式 IGBT 概念,即內嵌體二極體的 FS SA T IGBT(如 MOSFET),且其在單端(SE)諧振逆變器中的有效性適用於感應加熱(IH)應用。 該新型元件具有略高的 VCE(sat) 及略慢的關斷性能,然而,與最佳競爭元件及之前版本的元件相比,其尾電流得到了極大改善。 該新型元件的尾電流損失分別是之前版本的元件的 41% 和最佳競爭元件的 63%。 因此,該新型元件的熱性能略優於之前版本的元件及最佳競爭元件。 該新型元件的晶片尺寸也更小 - 其晶片尺寸分別是之前版本的元件的 77% 及最佳競爭元件的 86%,因此它也可提供更佳的成本效益。


相關文章
【技術前沿】世界紀錄:728個軸400μs迴圈週期
透過IGBT 閘極驅動器的先進裝置簡化高電壓、高電流變頻器
瞭解現代電磁爐的工作原理
電動車時代加速來臨
伺服器DC/DC設計擁抱數位化
comments powered by Disqus
相關討論
  相關新品
mbed
原廠/品牌:RS
供應商:RS
產品類別:PC Board
Arduino
原廠/品牌:RS
供應商:RS
產品類別:PC Board
Raspberry Pi
原廠/品牌:RS
供應商:RS
產品類別:PC Board
  相關新聞
» CEVA與Ellisys合作 取得低功耗藍牙5.1 IP SIG認證
» 是德科技公布物聯網創新大賽評審團陣容 優勝可獲 5 萬美元
» 人工智慧將成為新一輪工業革命的推動器
» 中國IC自製計畫來勢洶洶 IC Insights對成果持疑
» TrendForce:2019年第二季全球前十大晶圓代工營收表現不如預期
  相關產品
» 貿澤5月引進多項產品 全球代理商精選
» u-blox 5G蜂巢式模組和晶片組SARA-R5系列 為低功耗廣域IoT應用植入IoT安全性
» Epson攜手資策會成立AR共創中心 培育智慧眼鏡產業人才
» 意法半導體PMIC 節省駕駛輔助系統空間並提升可靠性
» igus 工程塑膠滑動軸承通過測試 不可能產生黴菌
  相關資源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw