流程改進(jìn)提高效率IGBT為電機驅動(dòng)應用

當選擇的IGBT，設計者面臨著(zhù)一些架構選擇，可以有利于IGBT的一種形式中，如對稱(chēng)與不對稱(chēng)阻塞，在另一個(gè)的。本文將回顧由不同的IGBT架構所提供的設計方案。

該絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是用于電機驅動(dòng)應用由于其高阻斷電壓和低成本相比功率MOSFET具有類(lèi)似額定電壓的共同選擇。該技術(shù)允許對可變頻率的驅動(dòng)器，其被視為好為節能系統的設計。

在IGBT提供需要用來(lái)驅動(dòng)重要逆變器級的開(kāi)關(guān)能力。通常情況下，一個(gè)600 V阻斷電壓等級是需要從200-240 VAC操作驅動(dòng)器主電源，具有1200 V青睞于460 VAC的應用。

從功率MOSFET IGBT的結構演變在80年代期間，響應于需要增加的阻斷電壓。這是通過(guò)增加一個(gè)額外的PN結到MOSFET架構的漏極，形成雙極晶體管結構和整體NPNP半導體實(shí)現。與目前制造大多數功率晶體管，該晶體管的結構是垂直的而不是水平的，與上述PNP雙極性晶體管放置在管芯的背面側的集電極。 AP或P +的浴盆，其中包含N摻雜阱連接的源極/發(fā)射極和柵極區。電流流經(jīng)該浴池進(jìn)入一個(gè)比較寬的N摻雜漂移區進(jìn)入收集器。然而，因為它有一個(gè)MOSFET的絕緣柵，該裝置作為一個(gè)整體保持電壓控制而不是電流控制?；ユi雙極晶體管的增益需要被仔細控制以抑制操作作為NPNP晶閘管。

雖然它一般提供較高的電壓隔離比的MOSFET，一個(gè)IGBT的架構意味著(zhù)它不能切換為快，這限制了在逆變器中使用的開(kāi)關(guān)頻率，盡管在設備施工的最新進(jìn)展已經(jīng)推動(dòng)有效開(kāi)關(guān)頻率向100千赫。效率的IGBT是由MOSFET的比低通態(tài)壓降提高。此外，高電流密度可以更高的額定功率，以用更小的芯片比同等MOSET，從而提高了成本效益達到。

早期方法與IGBT包括設計的對稱(chēng)結構，也被稱(chēng)為反向阻斷架構。這些同時(shí)具有正向和反向阻斷能力，它們的適合于A(yíng)C應用如基質(zhì)(交流 - 交流)轉換器或三電平逆變器。非對稱(chēng)結構僅保持正向阻斷能力，但往往會(huì )被更廣泛地采用比對稱(chēng)結構，因為它們通常提供比對稱(chēng)的IGBT低通態(tài)壓降。非對稱(chēng)結構適合DC應用，如變速電動(dòng)機控制。但是，IGBT的電機控制應用往往涉及電感性負載，并且通常硬開(kāi)關(guān)，要求在IGBT并行使用與續流二極管，以允許反向電流流動(dòng)在這些拓撲結構。然而，這種二極管通常會(huì )提供的性能比的等效功率MOSFET體二極管高。

另一個(gè)區別是的IGBT穿通(PT)和非穿通型(NPT)體系結構之間。在PT設計主要是用于降低隔離的電壓和使用生長(cháng)在P +基底和集電區的N +區域。當設備被關(guān)閉時(shí)，在N漂移變得完全耗盡載體，一個(gè)效果，即入在N +層下面，但不通過(guò)它完全到達進(jìn)入收集“通過(guò)沖頭”。其結果是一個(gè)非常薄的N區域，最大限度地減少接通電壓。附加的N +層也改善了開(kāi)關(guān)速度通過(guò)減少被注入到P +基底過(guò)量空穴的數目。當設備關(guān)閉，這些運營(yíng)商正在迅速刪除。

不幸的是，高摻雜引入大量需要的IGBT后取出關(guān)掉少數載流子，這增加了轉換時(shí)間，并與在效率損失。這是一個(gè)主要的原因是較低的開(kāi)關(guān)頻率相比，功率MOSFET。 PT IGBT的也可以免受熱失控受損。

該條約的開(kāi)發(fā)是為了避免在PT架構的主要問(wèn)題，并刪除在N +緩沖層。然而，它們都經(jīng)過(guò)精心設計，以避免讓電場(chǎng)滲透一路通過(guò)向集電器。該晶體管通常由不同為PT裝置。代替外延形成的N個(gè)區域上的P摻雜的襯底的頂部上的，NPT晶體管通常使用N摻雜襯底與生長(cháng)在背面集電極區制成。

通過(guò)減薄晶圓，以100μm或更小，它可能使用一個(gè)非常-輕摻雜集電極區并且仍然實(shí)現低電阻和高的性能。使用更輕摻雜的減少，可以被存儲在它導通時(shí)其轉化為更好的開(kāi)關(guān)性能，因為有較少的載波需要時(shí)，該設備被切換到被殺死器件，電荷量。

該FGP10N60和FGP15N60飛兆半導體利用NPT的技術(shù)支持一系列的電機驅動(dòng)應用。他們提供短路電阻高達10微秒，在150℃下表現出約2 V的飽和電壓支持高開(kāi)關(guān)速度，晶體管展覽剛剛超過(guò)55 ns的關(guān)斷延遲時(shí)間。

制造商如國際整流器幾乎十年前搬到一個(gè)溝槽結構。該溝槽結構不僅允許更高的通道密度通過(guò)降低柵極和基極區的有效直徑，它增強堆積層的電荷注入，降低了寄生JFET從中舊平面設計受到的影響。對于給定的開(kāi)關(guān)頻率，該溝槽結構減少了傳導和相對于傳統的PT和NPT結構開(kāi)關(guān)損耗。溝道IGBT現在是在一個(gè)大范圍內許多廠(chǎng)商的評級可用。 IR自己的范圍涵蓋關(guān)鍵600 V和1200 V阻斷電壓范圍。

一個(gè)典型的裝置中，IRGB4060，是打包帶軟恢復反向二極管，并提供一個(gè)關(guān)斷延遲時(shí)間縮短到95納秒，以支持相對高的開(kāi)關(guān)頻率的為1.55V晶體管。

增加一個(gè)場(chǎng)終止區域，以一個(gè)薄晶圓NPT裝置能夠在性能上的幾個(gè)進(jìn)一步的改進(jìn)。有點(diǎn)類(lèi)似于在PT概念，該層站的電場(chǎng)，從而允許使用為同一高擊穿電壓的薄晶片。通過(guò)控制兩個(gè)場(chǎng)闌和p +集電極層中的載流子濃度能夠提高背面結的發(fā)射極效率。其結果是，場(chǎng)站提供具有低VCE的設備上更快的轉換(飽和)成為可能，更薄的晶片。

場(chǎng)終止技術(shù)已經(jīng)使得它更容易集成需要許多電路與IGBT本身的續流二極管。例子倒在TRENCHSTOP家庭英飛凌科技設備。許多家庭成員的形成二極管作為核心IGBT元件的一部分，通過(guò)該裝置使反向電流導通。他人提供的應用，如電機控制由封裝內集成二極管優(yōu)化二極管技術(shù)，如IKD06N60RF，它支持的開(kāi)關(guān)速度為電機控制多達30千赫。

IGBT的對TRENCHSTOP進(jìn)程英飛凌演變形象

圖1：IGBT的對TRENCHSTOP進(jìn)程英飛凌的演變。

IXYS已開(kāi)發(fā)多個(gè)系列的場(chǎng)站體系，最終在第3代和GEN4家庭。該GEN4架構將溝槽拓撲與“極端光穿通”的第3代的(XPT)場(chǎng)站設計，支持低通態(tài)電壓和快速關(guān)斷的組合，以最大限度地降低開(kāi)關(guān)損耗。

這些裝置顯示出正方形反向偏置安全工作區(RBSOA)形狀高達650伏的擊穿電壓和標稱(chēng)電流的兩倍，在高溫下，相適應他們無(wú)緩沖器硬開(kāi)關(guān)應用。該設備可以被共打包帶反并聯(lián)二極管，設有只要10微秒，在150℃下的高溫短路堅固性。

經(jīng)典與IXYS XPT架構之間的差異圖片

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