- IGBT軟開關在應用中的損耗
- 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(xiàn)在兩個方面：通過采用和改進溝槽柵來優(yōu)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(jīng)常被探討。首先投產(chǎn)的逆導型IGBT是針對電子鎮(zhèn)流器應用進行優(yōu)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)。由于發(fā)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(fā)展，包含一個額外的植入晶圓背面的n摻雜層。
將場終止層與高電阻率的晶圓襯底結合起來，能使器件的厚度減少大約三分之一，同時保持相同的阻斷電壓。隨著晶圓厚度的降低，導通損耗和關斷損耗也可進一步降低。場終止層摻雜度低，因此不會影響背面植入的低摻雜p發(fā)射極。為了實現(xiàn)RC-IGBT，二極管的部分n摻雜背面陰極(圖1)將與IGBT集電極下面的p發(fā)射極結合起來。
RC-IGBT的溝槽柵概念所基于的技術與傳統(tǒng)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(yōu)化，比如電磁爐或微波爐應用。數(shù)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(qū)。柵極和發(fā)射極之間的區(qū)域和端子被嵌入絕緣亞胺薄膜里。最新的投產(chǎn)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為基于TrenchStop技術的最新一代RC2-IGBT的溝槽柵截面圖。
超薄晶圓技術
由于導通電壓和關斷損耗在很大程度上取決于晶圓的厚度，因此需要做更薄的IGBT。圖4顯示了英飛凌600/1,200VIGBT和EMCON二極管的晶圓厚度趨勢。對于新型1,200VRC-IGBT而言，120um厚度晶圓將是標準工藝。這需要進行復雜的晶圓處理，包括用于正面和背面的特殊處理設備。將晶圓變薄可通過晶圓打磨和濕式化學蝕刻工藝實現(xiàn)。
新型RC2-IGBT的優(yōu)勢
來自英飛凌的新型RC2-IGBT系列產(chǎn)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(yōu)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(yōu)化的定制解決方案。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(yōu)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：基于TrenchStop技術的最新一代RC2-IGBT的溝槽柵截面圖(溝槽柵里的洞是為分析準備)
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在下降時間方面是最為出色的：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：來自英飛凌科技的最新一代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于30(，下降時間再度上升。這對于實現(xiàn)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(qū)域也是最低開關損耗區(qū)(見圖7)。它具有最低的開關損耗和合適的EMI表現(xiàn)。
圖8：室溫和不同電流條件下IHW20N120R2的飽和壓降與Vf的關系
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的關系
電壓諧振電路里的RC-IGBT
圖10顯示了用于軟開關應用的典型電壓諧振電路。
圖10：用于軟開關應用的電壓諧振電路圖
對于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.對于1.8kW的應用：IHW15N120R2(Vce=1,200V,Ic=15A@Tc=100℃)；
2.對于2.0kW的應用：IHW20N120R2(Vce=1,200V,Ic=20A@Tc=100℃)；
3.對于2.2kW的應用：IHW25N120R2(Vce=1,200V,Ic=25A@Tc=100℃)；
4.對于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(fā)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電路在諧振范圍之外(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(yōu)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(fā)射極關斷電流幾乎沒有變化。
