兼顾高耐压与低Vce（sat）性能的650V场截止沟槽式IGBT受热捧

 

　　绝缘闸双极电晶体（IGBT）是一种少数载子功率元件，拥有高输入阻抗和高双极电流功能，这些特性使其适用于多种电力电子产品，特别是马达驱动器、不断电系统（UPS）、再生能源系统、焊接机、电磁炉，以及其他须支援高电流和高电压的逆变器（Inverter）应用。

　　此外，抗短路能力也是IGBT适用于各类逆变器的重要特性。在由逆变器驱动的UPS或马达中，当启动时发生马达故障、输出短路或输入匯流排电压贯穿（Voltage Shoot Through）等情形时，IGBT将会受到破坏。在这些状况下，通过IGBT的电流将急速增加直到饱和为止，在进行故障侦测及启用保护功能之前，IGBT应能承受此压力。

　　三级拓扑逆变器点燃650伏特IGBT需求

　　从逆变器设计来看，三级中性点箝位（Three-level Neutral-point-clamped）拓扑正加速普及，并扩散至中低功率电源转换器，以提供更高输出电压频谱效能，藉此缩减滤波器尺寸并降低成本，同时在不产生过多切换损耗之下，增加切换频率。

　　在三级NPC拓扑中，因为直流链电压（DC Link Voltage）无法获得良好平衡，故在此拓扑中需更高的阻断电压（Blocking Voltage），对此，支援650伏特崩溃电压的IGBT能有效满足此一设计需求，市场渗透率正逐渐翻扬。然而，通常较高的崩溃电压会使Vce（sat）增加，造成逆变器应用的效能降低，因此如何使650伏特IGBT的切换及导通损耗，维持与传统600伏特IGBT方案相同的程度，对晶片商和系统厂而言无疑是至关重要的努力方向。

　　IGBT的极间饱和电压（Vce（sat））及切换效能两者互为消长，主因係较高的崩溃电压设计所增加的Vce（sat）补偿值，可能使系统产生较大的切换损耗，因此在消长曲线中找到最佳设计平衡点，将是优化650伏特IGBT性能的关键。

　　为满足前述需求，新型场截止沟槽式（Field Stop Trench）IGBT遂应运而生，其具备650伏特崩溃电压、极低的Vce（sat）及抗短路能力，且效能已通过系统级评估验证。

　　场截止沟槽式IGBT兼具高压、低Vce（sat）效益

　　场截止沟槽式技术使用沟槽闸极架构，以及因应穿透特性的高掺杂n+缓衝层。由于具备前述特性，新型IGBT技术达成更高Cell密度，让特定硅面积拥有极低的导通压降；整体而言，其电流密度可较旧型场截止平面式方案多出一倍以上。

　　图1显示新型75安培（A）、650伏特场截止沟槽式IGBT，以及75安培、600伏特旧型场截止平面式IGBT两者的Vce（sat）与切换损耗特性比较，前者在25℃、75安培时，可达成1.65伏特Vce（sat），在相同条件下，后者则为1.9伏特。

　　

　　图1 新型650伏特IGBT与旧型600伏特IGBT特性比较

　　一般而言，较高的IGBT阻断电压和较小的尺寸会使Vce（sat）增加，利用场截止沟槽式技术可在提升崩溃电压至650伏特的前提下，进一步缩减晶片面积，显着改善此一状况；因此，低Vce（sat）是新型场截止沟槽式IGBT的主要优点，同时还可减少在每一切换循环的关闭（Turn-off）能量损耗。

　　随着IGBT的电压特性有所改进，系统厂将能打造更高转换效率的逆变器，满足市场需求。值得注意的是，即使硅面积缩减，新型场截止沟槽式IGBT在因热逸散问题而故障之前，仍可提供5微秒（μs）抗短路时间，旧型IGBT则未支援此功能；此外，场截止沟槽式IGBT具备低关闭状态（Off-state）漏电流，且支援最高接面温度至175℃。

　　大胜传统设计方案　650伏特IGBT效能亮眼

　　至于新型650伏特场截止沟槽式IGBT与使用类似方案的元件相比，在条件为Tj=25℃、Ic=80安培、Vce=400伏特、Vge=15伏特及Rg=5欧姆（Ω）的切换测试中，650伏特IGBT显示的关闭（Switching-off）能量损耗为183微焦耳（μJ），600伏特IGBT的切换损耗则为231微焦耳。

　　评估项目还包括共同封装的二极体（Diode）反向恢復特性，测试条件为If=40安培、Tj=125℃、Vr=400伏特及di/dt=500安培/微秒，在上述条件下，场截止沟槽式IGBT的Qrr为1.17微库伦（μC），远低于竞争者IGBT的3.98微库伦。

　　在桥式拓扑中，较低的Qrr值可减少单脚的IGBT开启（Switching-on）损耗；切换效能可採用商业用5.5kW併联型太阳能逆变器进行验证，其具备前端升压阶段和双极控制全桥式逆变器阶段，两阶段的切换频率皆为19kHz。在初始设计中，升压阶段维持不变，而是将650伏特IGBT和600伏特IGBT用于全桥式逆变器阶段。

　　图2显示逆变器导入两款IGBT效率测试结果，650伏特方案的EURO和CEC加权效率分别为94.37%及95.08%，而600伏特方案则分别为93.67%及94.37%，由于新型场截止沟槽式IGBT具备优异的切换效能，因此显示出更高的效率。

　　

　　图2 逆变器导入新旧型IGBT的效率比较

　　图3则为新型50安培场截止沟槽式IGBT，以及旧式同级产品的比较，新方案在10安培及20安培状态下表现出优异的消长状况，此两种电流为大多数应用的实际运作电流。

　　

　　图3 逆变器採用不同IGBT在10安培、20安培电流情况的效率表现

　　基于前述比较结果，可进一步估算系统中的功率损耗。假定目标系统为3kW额定混频全桥式逆变器，内建两个低端IGBT以线频进行切换，两个高端IGBT以17kHz进行切换，图4即为其功率损耗估算摘要。为验证功率损耗估算，可分别採用50安培/650伏特IGBT，以及功率损耗与其类似的3号IGBT做评比。

　　

　　图4 新型IGBT与其他竞争方案的功率损耗预估

　　如图5所示，3kW系统在满载时，3号IGBT与50安培/650伏特IGBT的功耗相当接近，此状况完全符合估算，此外，效率断层会随着负载减少而逐渐变大，此状况亦符合图3的效率变化，在低电流位準时，50安培/650伏特IGBT的表现最优异。

　　

　　图5 混频全桥式逆变器应用不同IGBT的效率比较

　　新型650伏特场截止沟槽式IGBT已于近期问世，且效能亦已通过系统厂评估，相较于旧型IGBT，新方案提供更好的DC及交流电（AC）特性，且抗短路时间及漏电流问题均有改善，可支援效率更高且更可靠的转换器系统。