【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(yáng)極短路IGBT。與最佳競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品和前代產(chǎn)品相比，該器件具有Eoff較小的特性?？傊?，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(chǎng)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(yáng)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(duì)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(chǎng)截止陽(yáng)極短路溝道IGBT與NPT IGBT的對(duì)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(chǎng)，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(chǎng)截止層（如圖1(b)所示）顯著提高了IGBT的性能。這就是場(chǎng)截止IGBT的概念。在FS IGBT中，電場(chǎng)在場(chǎng)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(chǎng)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。
圖1: NPT IGBT（左）和場(chǎng)截止IGBT（右）
同時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)新的概念——陽(yáng)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(chǎng)截止溝道陽(yáng)極短路(FS T SA)IGBT概念的基本結(jié)構(gòu)，其中，“n+”集電極與場(chǎng)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。
圖2: FS SA T IGBT的截面圖
圖3: 典型輸出特性對(duì)比
圖3顯示新陽(yáng)極短路器件(FGA20S140P)、前代器件(FGA20S120M)和最佳的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品之間的典型輸出特性對(duì)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(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的飽和電壓是1.6 V。圖4顯示反向恢復(fù)性能對(duì)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(duì)感應(yīng)加熱(IH)應(yīng)用造成危害。
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圖4: 反向恢復(fù)性能對(duì)比
采用已針對(duì)感應(yīng)加熱應(yīng)用優(yōu)化了的先進(jìn)場(chǎng)截止陽(yáng)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(cè)試設(shè)備得到的關(guān)斷特性對(duì)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(jìng)爭(zhēng)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(cè)試中，新一代FS T SA IGBT器件的關(guān)斷能至少減少了12%！
圖5: Eoff對(duì)比
每個(gè)器件的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比如表1所示。
表1:關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比
* 在Ioff= 40 A 和dv/dt = 140.1V/μs條件下測(cè)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(yáng)極短路IGBT。與最佳競(jìng)爭(zhēng)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。
