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淺述第2代FS SA T IGBT對單端諧振逆變器的作用

分類:IGBT專題 發布:2017年06月19日 22:32 瀏覽:847次 Tag:

福彩3d字谜 www.ixlzt.com       高壓IGBT的性能顯著提高。現今最常用的IGBT技術是場截止IGBT(FS IGBT)技術,它結合了PT(穿通)和NPT(非穿通)IGBT結構的優點,同時克服了兩者的缺點。FS IGBT在導通狀態時提供較低的飽和壓降VCE(sat),在關斷時刻提供較低的開關損失。但由于傳統的IGBT不含有固有體二極管,所以大多數開關應用通常將其與額外FRD封裝在一起。本文將介紹飛兆半導體的第2代1400V場截止Shorted Anode溝道(FS-SA T)IGBT(具有不同于一般IGBT的固有體二極管)在感應加熱(IH)系統中的應用,并注重介紹它在單端(SE)諧振逆變器中的效率等特性。

  場截止Shorted Anode溝道IGBT

  雖然NPT(非穿通)IGBT通過在關閉轉換期間減少少數載流子噴射量并提高復合率提高了關閉速度,但由于VCE(sat)較高而不適合某些高功率應用,因為n-漂移層必須輕摻雜,結果在關閉狀態期間需要較厚的漂移層以維持電場,如圖1(a)所示。n-漂移層的厚度是IGBT中飽和壓降的主要因素。

  圖1:NPT IGBT(左)和場截止IGBT(右)。

  通過在n-漂移層和p+集電極之間插入n摻雜場截止層,如圖1(b)中所示,可減小n-漂移層的厚度。這是場截止概念,應用場截止概念的IGBT稱為場截止IGBT(FS IGBT)。在FS IGBT中,場截止層內的電場急劇減小,而在n-漂移層中會逐漸減小。因此,漂移層的厚度和飽和壓降可顯著降低。溝道柵結構也改善了飽和壓降。此外,FS IGBT的場截止層在關斷瞬間期間加快了多數載流子復合,因此其尾電流遠遠小于NPT或PT IGBT。這降低了開關損耗。

  然而,傳統FS IGBT由于p-、n-、n、p+結構而不包括類似PT和NPT IGBT的固有體二極管。因此對于大多數應用,應將它與其他FRD封裝在一起。但最近興起一個新的理念,即像MOSFET一樣將體二極管嵌入到IGBT中。這稱為Shorted Anode IGBT(SA IGBT)。圖2顯示了將Shorted Anode理念移植到場截止溝道IGBT的概念。Shorted Anode場截止溝道IGBT(FS SA T IGBT)的主要理念是將n+集電極間歇地插入到p+集電極層。在這種情況下,n+集電極直接接觸場截止層并用作PN二極管的陰極,而p+集電極層用作FS T IGBT的通用集電極。

  圖2:場截止Shorted Anode溝道IGBT。

  飛兆半導體最近開發出第2代FS SA T IGBT。采用非常先進的場截止技術,確保了1400V(BVCES)的擊穿電壓,而前一版本僅有1200V的BVCES,最高競爭產品僅有1350V的BVCES。新設備相比第1代設備,開關性能大幅改善,同時具有較高的VCE(sat)。此外,新設備具有較小的芯片尺寸,因此成本效益更高–新設備的芯片尺寸是以前的77%,是最佳競爭產品的86%。

  表1中比較了關鍵參數。

  表1:關鍵參數比較。

  實驗結果

  單端(SE)諧振逆變器是E類諧振逆變器,由于較低的成本結構和相對較高的效率而得到不斷普及,尤其是在IH爐具和電飯鍋應用中。SE諧振逆變器也是Shorted Anode IGBT概念非常適合的應用,因為反并聯二極管的性能無關緊要,肅然它必須達到ZVS導通。為驗證新1400V FS SA T IGBT在SE諧振逆變器中的有效性,用IH爐具中的1.8KW SE諧振逆變器進行了一個實驗。

  在圖3和圖4中分別說明了開關性能、關斷和尾電流損失比較。結果顯示,就關斷瞬態而言,新設備稍遜于以前的設備和最佳競爭產品。FGA20S140P的關斷能量(Eoff)為127uJ,而FGA20S120M為122uJ,最佳競爭產品為103uJ。然而,從尾電流損失角度看,新設備要比以前的設備以及最佳競爭產品優越很多。對于尾電流損失,FGA20S140P為396uJ,FGA20S120M為960uJ,最佳競爭產品為627uJ。結果是,新設備盡管具有稍慢的關斷轉換和較高的VCE(sat),但因為尾電流小得多,可顯著減少總損耗。

  圖3:關斷損耗比較。

  圖4:尾電流損耗比較。

  圖5:熱性能比較。

  圖5顯示了熱性能比較結果。在最大功率1.8kW下測量的殼體溫度結果是:FGA20S140P為80.2℃,FGA20S120M為82.3℃,最佳競爭產品為80.5℃。雖然擊穿電壓200V相比以前的設備有所改善,高于最佳競爭產品50V,但芯片尺寸比其他產品小,所以新設備相比以前的設備以及最佳競爭產品顯示出更好的熱性能。

  結論

  已經出現一個新的場截止溝道IGBT概念FS SA T IGBT,其像MOSFET一樣嵌入了固有體二極管,并展示了其在感應加熱應用單端諧振逆變器中的有效性。新設備具有稍高的VCE(sat)和稍慢的關斷性能,但是其尾電流比最佳競爭產品以及以前的版本提高很多。新設備的尾電流損失是以前設備的41%,是最佳競爭產品的63%。因此,新設備的熱性能略好于以前的設備以及最佳競爭產品。新設備的芯片尺寸也較小——其芯片尺寸是以前設備的77%,是競爭產品的86%,因此還可以提供更好的成本效益。

  參考文獻

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