新型IGBT軟開關在應用中的損耗

本文介紹了集成續流二極管(FWD)的1200V RC-IGBT，并將探討面向軟開關應用的1,200V逆導型IGBT所取得的重大技術進步。

IGBT技術進步主要體現在兩個方面：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)。由于發射極(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發射極。為了實現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發射極結合起來。

RC-IGBT的溝槽柵概念所基于的技術與傳統的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里。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600/1,200V IGBT和EMCON二極管的晶圓厚度趨勢。對于新型1,200V RC-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。

新型RC2-IGBT的優勢

來自英飛凌的新型RC2-IGBT系列產品是以成熟的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


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