采用新型IGBT优化软开关应用中的损耗
igbt技术进步主要体现在两个方面：通过采用和改进沟槽栅来优化垂直方向载流子浓度，以及利用“场终止”概念(也有称为“软穿通”或“轻穿通”)降低晶圆n衬底的厚度。
此外，带有单片二极管的igbt概念也经常被探讨。首先投产的逆导型igbt是针对电子镇流器应用进行优化的，被称之为“lightmos”。本文介绍了集成续流二极管(fwd)的1200v rc-igbt，并将探讨面向软开关应用的1,200v逆导型igbt所取得的重大技术进步。
trenchstop和rc-igbt技术
在采用的trenchstop技术中，沟槽栅结合了场终止概念(见图1中的igbt)。由于发射极(阴极)附近的载流子浓度提高，沟槽栅可使得导通损耗降低。场终止概念是npt概念的进一步发展，包含一个额外的植入晶圆背面的n掺杂层。
将场终止层与高电阻率的晶圆衬底结合起来，能使器件的厚度减少大约三分之一，同时保持相同的阻断电压。随着晶圆厚度的降低，导通损耗和关断损耗也可进一步降低。场终止层掺杂度低，因此不会影响背面植入的低掺杂p发射极。为了实现rc-igbt，二极管的部分n掺杂背面阴极(图1)将与igbt集电极下面的p发射极结合起来。
rc-igbt的沟槽栅概念所基于的技术与传统的trenchstop-igbt(见图2)相同，但针对软开关应用所需的超低饱和压降vce(sat)进行了优化，比如电磁炉或微波炉应用。数以万计的沟槽栅通过金属(铝)相连，该金属铝层同时也是连线区。栅极和发射极之间的区域和端子被嵌入绝缘亚胺薄膜里。最新的投产型rc2-igbt，其沟槽栅极更小，与标准trenchstop-igbt相比要多出150%的沟槽栅单元。图3为基于trenchstop技术的最新一代rc2-igbt的沟槽栅截面图。
超薄晶圆技术
由于导通电压和关断损耗在很大程度上取决于晶圆的厚度，因此需要做更薄的igbt。图4显示了英飞凌600/1,200v igbt和emcon二极管的晶圆厚度趋势。对于新型1,200v rc-igbt而言，120um厚度晶圆将是标准工艺。这需要进行复杂的晶圆处理，包括用于正面和背面的特殊处理设备。将晶圆变薄可通过晶圆打磨和湿式化学蚀刻工艺实现。
新型rc2-igbt的优势
来自英飞凌的新型rc2-igbt系列产品是以成熟的trenchstop技术为基础的，具有超低饱和压降。此外，igbt还集成了一个功能强大且正向电压超低的二极管。
新型rc2-igbt的优势是针对软开关应用(比如微波炉、电磁炉和感应加热型电饭煲)进行优化的定制解决方案。与以前的器件相比，rc2-igbt可提升性能，降低饱和压降损耗。这可导致非常低的总体损耗，因此所需的散热器更小。另外一个优势是最大结温被提高到tvj(max)=175℃，比普通igbt芯片提高了25℃。这种结温已通过to-247无铅封装的应用验证。
图1：应用trenchstop技术的rc-igbt
图2 ：rc-igbt芯片(ihw20n120r)前视图
图3：基于trenchstop技术的最新一代rc2-igbt的沟槽栅截面图(沟槽栅里的洞是为分析准备)
图4 ：igbt和二极管晶圆厚度变化
在典型饱和压降vce(sat)=1.6v@25℃/1.85v@175℃和典型正向电压vf=1.25v@175℃(额定电流)的条件下，功率损(特别是软开关应用的导通损耗)可大幅度降低。由ihw20n120r2的下降时间的切线可看出高速度—tf=24ns@25℃和rg=30ω(44ns@175℃)。ihw30120r2在下降时间方面是最为出色的：tf=33ns@25℃，rg=30ω；tf=40ns@175℃。(在硬开关条件下测量，参见带有eoff曲线的图6和图7)。
图5 ：来自英飞凌科技的最新一代rc2-igbt(ihwxxn120r2，xx=15a、20a、25a和30a)。采用无铅电镀to-247封装
图6 ：在硬开关条件下，175℃结温以及室温下ihw20n120r2(in=20a，vces=1,200v)和ihw30n120r2(in=30a)的下降时间切线
图7 ：在硬开关条件下，175℃结温以及室温下rc2-igbt的eoff曲线
图6显示如果栅极电阻低于30(，下降时间再度上升。这对于实现良好的emi行为非常重要。所有市场上相关应用设计目前使用的栅极电阻都在10~20ω之间。这个栅极电阻选用区域也是最低开关损耗区(见图7)。它具有最低的开关损耗和合适的emi表现。
图8 ：室温和不同电流条件下ihw20n120r2的饱和压降与vf的关系
图7和图8显示了最新一代rc2-igbt(ihw20n120r2)的超低饱和压降vce(sat)和正向电压vf。图8显示了1,000片该器件在室温和不同电流条件下的最低和最高饱和压降的曲线图，图9显示了它们在不同温度和20a额定电流条件下的饱和压降曲线图。
图9 ：20a标称电流和不同温度下ihw20n120r2的饱和压降与vf的关系
电压谐振电路里的rc-igbt
图10显示了用于软开关应用的典型电压谐振电路。
图10 ：用于软开关应用的电压谐振电路图
对于190v~240v交流输入电压而言，rc-igbt具有低饱和压降和正向电压：
1. 对于1.8kw的应用：ihw15n120r2(vce=1,200v, ic=15a@tc=100℃)；
2. 对于2.0kw的应用：ihw20n120r2(vce=1,200v, ic=20a@tc=100℃)；
3. 对于2.2kw的应用：ihw25n120r2(vce=1,200v, ic=25a@tc=100℃)；
4. 对于2.4kw的应用：ihw30n120r2(vce=1,200v, ic=30a@tc=100℃)。
为了测量igbt的集电极电流ice，应在发射极和地之间使用超低阻值的取样电阻器。图11为vce和ic的波形(搪瓷烧锅负载)。工作频率为29.1khz，lc电路在谐振范围之外(电磁炉的温度模式为50℃)。
图11： 1.8kw电磁炉应用(ihw20n120r2)的电压谐振电路波形
本文小结
针对软开关应用进行优化的rc-igbt技术可大幅度降低饱和压降造成的损耗。最大结温提升到175℃进一步增强了芯片的电流能力。关断开关损耗以及发射极关断电流几乎没有变化。
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在采用的trenchstop技术中，沟槽栅结合了场终止概念(见图1中的igbt)。由于发射极(阴极)附近的载流子浓度提高，沟槽栅可使得导通损耗降低。场终止概念是npt概念的进一步发展，包含一个额外的植入晶圆背面的n掺杂层。
将场终止层与高电阻率的晶圆衬底结合起来，能使器件的厚度减少大约三分之一，同时保持相同的阻断电压。随着晶圆厚度的降低，导通损耗和关断损耗也可进一步降低。场终止层掺杂度低，因此不会影响背面植入的低掺杂p发射极。为了实现rc-igbt，二极管的部分n掺杂背面阴极(图1)将与igbt集电极下面的p发射极结合起来。
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图2 ：rc-igbt芯片(ihw20n120r)前视图
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1. 对于1.8kw的应用：ihw15n120r2(vce=1,200v, ic=15a@tc=100℃)；
2. 对于2.0kw的应用：ihw20n120r2(vce=1,200v, ic=20a@tc=100℃)；
3. 对于2.2kw的应用：ihw25n120r2(vce=1,200v, ic=25a@tc=100℃)；
4. 对于2.4kw的应用：ihw30n120r2(vce=1,200v, ic=30a@tc=100℃)。
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图11： 1.8kw电磁炉应用(ihw20n120r2)的电压谐振电路波形
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