新一代场截止阳极短路IGBT概述

作者: Jaeeul Yeon，飞兆公司

随着功率电子和半导体技术的快速进步，各类电力电子应用都开始要求用专门、专业的半导体开关器件，以实现成本和性能的共赢。与传统的非穿通(NPT) IGBT相比，场截止(FS) IGBT进一步降低了饱和压降和开关损耗。此外，通过运用阳极短路(SA)技术在IGBT裸片上集成反向并联二极管这项相对较新的技术，使得FS IGBT非常适合软开关功率转换类应用。

场截止阳极短路沟道IGBT与NPT IGBT的对比

虽然NPT（非穿通）IGBT通过减少关断过渡期间少数载流子注入量并提高复合率而提高了开关速度，但由于VCE(sat)较高而不适合某些大功率应用，因为其n-衬底必须轻度掺杂，结果在关断状态期间需要较厚的衬底来维持电场，如图. 1(a)所示。–n-衬底的厚度是决定IGBT中饱和压降的主要因素。

传统NPT IGBT的“n-”漂移层和“p+”集电极之间的“n”型掺杂场截止层（如图1(b)所示）显著提高了IGBT的性能。这就是场截止IGBT的概念。在FS IGBT中，电场在场截止层内急剧减弱，而在“n-”漂移层中则为逐渐减弱。因此，“n-”漂移层的厚度和饱和压降得到了显著改善。沟道栅极结构也改善了饱和压降。此外，FS IGBT的场截止层在关断瞬间可加快多数载流子复合，因此其尾电流远远小于NPT或PT IGBT。由此降低了开关损耗和关断能量Eoff。


图1: NPT IGBT（左）和场截止IGBT（右）

同时，出现了一个新的概念——阳极短路IGBT(SA IGBT)：它允许将体二极管以MOSFET的方式内嵌到IGBT中。图2显示场截止沟道阳极短路(FS T SA)IGBT概念的基本结构，其中，“n+”集电极与场截止层相邻，作为PN二极管的阴极，而“p+”集电极层作为FS T IGBT的共集电极。


图2: FS SA T IGBT的截面图


图3: 典型输出特性对比

图3显示新阳极短路器件(FGA20S140P)、前代器件(FGA20S120M)和最佳的竞争产品之间的典型输出特性对比。在额定电流20 A的条件下，FGA20S140P的饱和电压VCE(sat)是1.9 V，而 FGA20S120M的饱和电压是1.55 V，最佳竞争产品的饱和电压是1.6 V。图4显示反向恢复性能对比结果。SA IGBT的反向恢复性能稍逊于与IGBT共封装的超快速恢复二极管(UFRD)。幸运的是，较高的VCE(sat)并不会对感应加热(IH)应用造成危害。


图4: 反向恢复性能对比

采用已针对感应加热应用优化了的先进场截止阳极短路技术，Fairchild最新的二代FS T SA IGBT技术，与以前版本相比，不仅显著提高了击穿电压，而且提高了开关性能；即使如此，VCE(sat)还是稍显偏高。采用软开关测试设备得到的关断特性对比如图5所示。FS T SA IGBT的关断能为573μJ ，而前一代FGA20S120M的关断能为945μJ，而最佳竞争产品的关断能则为651 μJ。因此，在此模拟感应加热应用的特定软开关测试中，新一代FS T SA IGBT器件的关断能至少减少了12%！


图5: Eoff对比

每个器件的关键参数对比如表1所示。

表1:关键参数对比

* 在Ioff= 40 A 和dv/dt = 140.1V/μs条件下测量

总结

本文介绍以类似MOSFET的方式内嵌固有体二极管的最新一代阳极短路IGBT。与最佳竞争产品和前代产品相比，该器件具有Eoff较小的特性。总之，新器件使得FS IGBT更适用于不需要高性能反向并联二极管的软开关应用。