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增强型IGBT和充电控制二极管在未来的应用


作者:admin 时间:2017-05-21 访问:


未来一代IGBT模块将采用增强型沟道ET-IGBT和场充电提取(FCE)二极管,能够提供更高水平的电气性能,包括低损耗、良好的可控性、高耐用性和软二极管反向恢复等方面。

  尽管,过去二十年绝缘栅双极晶体管(IGBT)和反并联二极管已经经历了重大突破,相对于导致器件整体性能明显飞跃的器件工艺和设计理念,进一步开发工作正在进行中,为的是实现新水平的更高功率密度、更好的操控性和耐用性。在这篇文章中,我们首先将简要地讨论目前IGBT和二极管的发展趋势,同时专注于下一代技术;即增强型沟道IGBT(ET-IGBT)和场充电提取(Field Charge ExtracTIon,FCE)二极管。然后,将展示新的器件概念和它们在3.3 kV电压等级的电性能。

  IGBT和二极管的未来发展趋势

  目前,IGBT的三个主要发展趋势都瞄准(a)增强型沟道ET-IGBT的更高功率密度,(b)高于传统125℃的更高的工作温度,和(c)IGBT/二极管集成解决方案,被称为反向导通RCIGBT或双模式绝缘栅晶体管(BIGT)。在BIGT情况下,单个芯片方法提供了改进的性能,尤其是对由于取决于给定应用要求的可用二极管面积的限制。然而,传统IGBT/二极管双芯片方法仍然是许多主流应用的重要发展路径。如今,具有相似损耗性能的最先进的高电压器件,在软穿通(SPT)结构中采用了增强型平面IGBT(EP-IGBT)或沟道IGBT MOS单元概念。然而,对于低于2 kV的额定值来说,除了沟道IGBT,先进ET-IGBT已经是一个成熟的技术。此外,ET-IGBT概念也能够为高压IGBT提供下一个步骤的损耗减少。图1展示了一个3300 V IGBT的导通状态Vce(sat)损耗的减少,相当于在相同体积SPT平台上用新的ET-IGBT MOS单元实现了相同关断损耗(Eoff)。然而,必须指出的是,基于沟道的IGBT,特别是对较高额定电压,相对于可导致IGBT导通期间最佳开关性能不太可控的基于平面的器件,它表现出一种固有的高有效栅极输入电容。克服了这种不利方面,结合ET-IGBT的更低损耗,将为下一代高电压IGBT提供理想的解决方案。

  对于快速二极管器件,损耗和反向恢复软度仍然是匹配新的ET-IGBT性能的关键性能指标。场充电提取(FCE)概念表明,极端开关条件下的软恢复性能加上低损耗都可以实现,同时对其他电气参数没有影响。

增强型IGBT和充电控制二极管在未来的应用

  ET-IGBT概念

  为了降低损耗,实现针对沟道发射极附近靶向增强载流子浓度的ET-IGBT概念所遵循的主要方法,基于有n增强层的条纹(striped)有源沟道MOS单元的引入。为了减少有效输入电容来提高开关可控性,重点是有源单元之间区域的优化,这大大提高了开关期间的器件有效输入电容值。通过消除有源单元之间的栅区,如图2中横截面所示,相比最先进沟道IGBT设计,我们实现了一个低有效栅极发射输入电容,同时提供了最佳的反向阻断能力。相比EP-IGBT所产生的额定电流,3.3 kV ET-IGBT较低的导通状态损耗提供了增加额定电流20%的能力。