高开关速度优化的新一代IGBT系列

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　　摘要：最近几年，分立的IGBT已在不同的领域广泛应用，诸如传动用逆变器、电感性加热、焊接、太阳能发电用逆变器和UPS。这些应用装置在某些方面仍有本质上的不同要求，需要应用优化的专用器件。

　　　　本文阐述第三代1200V高速器件（“HS3”产品系列），它是专为焊接，太阳能发电逆变器和UPS等高频应用设计的。这些应用的典型工作频率范围是20K--40KHz，要求开关损耗低于典型的传动应用的损耗，后者在10KHZ甚至在更低范围中应用。但是，饱和电压VCE，sat在整个损耗中仍起重要的作用，为此要找到开关损耗和传导损耗之间良好的平衡。文中提供了新产品的特性并和市场上的其他产品系列做了比较。这些新产品的效益在特定装置的应用中获得了验证。

　　　　1  引言

　　　　电能的高效利用是电力电子获得迅速发展的主要推动力之一。IGBT技术为这些应用提供优化的专用器件来支持这种趋势[1]-[3]。虽然IGBT当前的主要市场仍属电力传动部分，但最近几年，其他应用领域，诸如UPS（不中断电源），光伏逆变器也取得了显著的市场份额。对各种应用——从大功率传动用的逆变器到独特的烹调电器用的电线插孔（cookinghubs）——都是将它用作功率开关。其中大多数是以DC/AC变换方式来应用，但仍有不同特性的要求。例如，电力传动逆变器要求器件具有较强的坚韧性，包括应付负载短路电流等失效模式的能力。而用于UPS或太阳能逆变器，则侧重于效率和输出信号的质量。这样，后者在较高频率下驱动时可减轻滤波器工作。当然，电力传动也一样要求高效率，因为要小型化就要求严格限制系统的总损耗。本文介绍的新一代1200V高速（HighSpeed）IGBT3（简称：HS3-系列）是针对UPS，太阳能逆变器和焊接等装置应用专门开发的。它侧重于提高效率和用于高于20KHz的高频开关，以及具有更好的抗电磁干扰性能与软开关特性。

　　　　下文首先阐述IGBT和二极管的特点，再阐述所选应用条件的优点。

　　　　2  HS3产品特性

　　　　2.1 技术概述：IGBT

　　　　HS3-IGBT产品系列是在已定型的TrenchStop2产品系列相同技术基础上的延伸。针对前几个技术发展阶段和电压等级（见图1），英飞凌技术公司用现代薄片技术将沟槽（Trench）MOS单元结合场截止（Stop）理念进行优化。为了优化性能，这种理念允许对IGBT收集极特性进行技术调制。这种方法的好处本身表明，尤其在耐短路电流和脉冲电流的坚韧性方面是优越的，软开关特性也一样优越。不过，TrenchStop2系列的目标是提高低、中频直到20KHz的逆变器的效率，而HS3系列则为高频运作优化发射极。

　　　　众所周知，对给定的IGBT技术基础（用单元布局和垂直设计为表征），在器件的漂移区采用等离子体技术调制可得到不同的器件特性。调整IGBT器件中固有的PNP晶体管的增益，可找到传导损耗和开关损耗之间的关系或不同的折衷点。通常，以关断损耗Eoff作为传导损耗（以额定电流下的饱和电压VCE，sat表示）的函数关系作图来说明。图2示出HS3系列的优化效果，作为参考也列出以前各代器件的折衷点。

　　　　HS3产品和TrenchStop2产品相比，关断损耗减小了40%，而饱和电压VCE，sat却被提高了400mV。但是，和以前的快开关IGBT相比,HS3产品的Eoff减小了15%，同时减小的传导损耗（VCE，sat）大于1V。

　　　　下文讨论新产品提供高于20KHz高频应用的新基准性能。

　　　　

　　　　　　图1  IGBT各代的变革     （把图中的英文换成下面相应的中文）

　　　　PunchThrouthNonPunchThroughTrench+Field-Stop

　　　　穿通非穿通沟槽+电场截止

　　　　优点优点

　　　　*背面注入发射极*背面注入发射极

　　　　*更好调整*能注入电场截止区

　　　　薄基区

　　　　性能性能

　　　　*低开关损耗*低VCEsat

　　　　*较高的开关坚韧性*低开关损耗

　　　　*较高的开关坚韧性
　　

　　　图2 HS3（HighSpeed3）系列和以前各代产品的导通损耗和关断损耗的折衷图

　　　　HS3的另一个收效是它还具有平滑的开关特性，没有干扰瞬变或高压尖峰。图3示出了HS3系列的IKW40N120H3和TrenchStop2系列的IKW40N20T2开关曲线比较。HS3器件表明具有很陡的电压和电流斜率，但仍能保持平滑的转换到零电流而没有过剩的拖尾电流。
　　　　　
　　图3 IKW40N120H3和IKW40N120T2在额定电流下开关曲线的比较。总线电压是800V，器件温度是175℃

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