中心議題：

• IGBT軟開關在應用中的損耗

解決方案：

• 需要做更薄的IGBT
• 將場終止層與高電阻率的晶圓襯底結合起來

IGBT技術進步主要體現在兩個方麵：通過采用和改進溝槽柵來優化垂直方向載流子濃度，以及利用“場終止”概念(也有稱為“軟穿通”或“輕穿通”)降低晶圓n襯底的厚度。

此外，帶有單片二極管的IGBT概念也經常被探討。首先投產的逆導型IGBT是針對電子鎮流器應用進行優化的，被稱之為“LightMOS”。

TrenchStop和RC-IGBT技術

在采用的TrenchStop技術中，溝槽柵結合了場終止概念(見圖1中的IGBT)。由於發射極(陰極)附近的載流子濃度提高
，溝槽柵可使得導通損耗降低。場終止概念是NPT概念的進一步發展，包含一個額外的植入晶圓背麵的n摻雜層。

將(jiang)場(chang)終(zhong)止(zhi)層(ceng)與(yu)高(gao)電(dian)阻(zu)率(lv)的(de)晶(jing)圓(yuan)襯(chen)底(di)結(jie)合(he)起(qi)來(lai)，能(neng)使(shi)器(qi)件(jian)的(de)厚(hou)度(du)減(jian)少(shao)大(da)約(yue)三(san)分(fen)之(zhi)一(yi)，同(tong)時(shi)保(bao)持(chi)相(xiang)同(tong)的(de)阻(zu)斷(duan)電(dian)壓(ya)。隨(sui)著(zhe)晶(jing)圓(yuan)厚(hou)度(du)的(de)降(jiang)低(di)，導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)和(he)關(guan)斷(duan)損(sun)耗(hao)也(ye)可(ke)進(jin)一(yi)步(bu)降(jiang)低(di)。場(chang)終(zhong)止(zhi)層(ceng)摻(chan)雜(za)度(du)低(di)，因(yin)此(ci)不(bu)會(hui)影(ying)響(xiang)背(bei)麵(mian)植(zhi)入(ru)的(de)低(di)摻(chan)雜(za)p發射極。為了實現RC-IGBT
，二極管的部分n摻雜背麵陰極(圖1)將與IGBT集電極下麵的p發射極結合起來。

RC-IGBT的溝槽柵概念所基於的技術與傳統的TrenchStop-IGBT(見圖2)相同
，但針對軟開關應用所需的超低飽和壓降Vce(sat)進行了優化，比如電磁爐或微波爐應用。數以萬計的溝槽柵通過金屬(鋁)相連，該金屬鋁層同時也是連線區。柵極和發射極之間的區域和端子被嵌入絕緣亞胺薄膜裏。最新的投產型RC2-IGBT，其溝槽柵極更小
，與標準TrenchStop-IGBT相比要多出150%的溝槽柵單元。圖3為基於TrenchStop技術的最新一代RC2-IGBT的溝槽柵截麵圖。

超薄晶圓技術

由於導通電壓和關斷損耗在很大程度上取決於晶圓的厚度，因此需要做更薄的IGBT。圖4顯示了英飛淩600/1,200VIGBT和EMCON二極管的晶圓厚度趨勢。對於新型1,200VRC-IGBT而言
，120umhoudujingyuanjiangshibiaozhungongyi。zhexuyaojinxingfuzadejingyuanchuli，baokuoyongyuzhengmianhebeimiandeteshuchulishebei。jiangjingyuanbianboketongguojingyuandamoheshishihuaxueshikegongyishixian。

新型RC2-IGBT的優勢

來自英飛淩的新型RC2-IGBT係列產品是以成熟的TrenchStop技術為基礎的，具有超低飽和壓降。此外，IGBT還集成了一個功能強大且正向電壓超低的二極管。

新型RC2-IGBT的優勢是針對軟開關應用(比如微波爐
、電磁爐和感應加熱型電飯煲)進行優化的定製解決方案。與以前的器件相比，RC2-IGBT可提升性能，降低飽和壓降損耗。這可導致非常低的總體損耗，因此所需的散熱器更小。另外一個優勢是最大結溫被提高到TvJ(max)=175℃，比普通IGBT芯片提高了25℃。這種結溫已通過TO-247無鉛封裝的應用驗證。


圖1：應用TrenchStop技術的RC-IGBT[page]

圖2：RC-IGBT芯片(IHW20N120R)前視圖

圖3：基於TrenchStop技術的最新一代RC2-IGBT的溝槽柵截麵圖(溝槽柵裏的洞是為分析準備)

圖4：IGBT和二極管晶圓厚度變化

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)的條件下，功率損(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高速度—tf=24ns@25℃和Rg=30Ω(44ns@175℃)。IHW30120R2在下降時間方麵是最為出色的：tf=33ns@25℃
，Rg=30Ω；tf=40ns@175℃。(在硬開關條件下測量，參見帶有Eoff曲線的圖6和圖7)。


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

圖6：在硬開關條件下

，175℃結溫以及室溫下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℃結溫以及室溫下RC2-IGBT的Eoff曲線[page]

圖6顯示如果柵極電阻低於30(，下降時間再度上升。這對於實現良好的EMI行為非常重要。所有市場上相關應用設計目前使用的柵極電阻都在10~20Ω之間。這個柵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和合適的EMI表現。



圖8：室溫和不同電流條件下IHW20N120R2的飽和壓降與Vf的關係

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片該器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

電壓諧振電路裏的RC-IGBT

圖10顯示了用於軟開關應用的典型電壓諧振電路。



圖10：用於軟開關應用的電壓諧振電路圖

對於190V~240V交流輸入電壓而言，RC-IGBT具有低飽和壓降和正向電壓：

1.對於1.8kW的應用：IHW15N120R2(Vce=1,200V,Ic=15A@Tc=100℃)
；

2.對於2.0kW的應用：IHW20N120R2(Vce=1,200V,Ic=20A@Tc=100℃)；

3.對於2.2kW的應用：IHW25N120R2(Vce=1,200V,Ic=25A@Tc=100℃)；

4.對於2.4kW的應用：IHW30N120R2(Vce=1,200V,Ic=30A@Tc=100℃)。

為了測量IGBT的集電極電流Ice，應在發射極和地之間使用超低阻值的取樣電阻器。圖11為Vce和Ic的波形(搪瓷燒鍋負載)。工作頻率為29.1kHz，LC電路在諧振範圍之外(電磁爐的溫度模式為50℃)。


圖11：1.8kW電磁爐應用(IHW20N120R2)的電壓諧振電路波形

針對軟開關應用進行優化的RC-IGBT技術可大幅度降低飽和壓降造成的損耗。最大結溫提升到175℃進一步增強了芯片的電流能力。關斷開關損耗以及發射極關斷電流幾乎沒有變化。