混合IGBT支持電子應(yīng)用中的更高效率

傳統(tǒng)的 IGBT 在歷史上一直受到開關(guān)損耗的影響。為了高效運(yùn)行，IGBT 需要像硅 FRD 一樣的續(xù)流二極管 （FRD），如圖 1 所示。隨著 Rohm Semiconductor 最近發(fā)布的一種混合 IGBT，它采用了 SiC 肖特基勢壘二極管 （SBD），這一限制得到了解決，從而導(dǎo)致與傳統(tǒng)的 Si FRD IGBT 和超結(jié) （SJ） MOSFET 相比，分別提高了 67% 和 24%。這種改進(jìn)加上低成本，有利于多種用途，包括機(jī)器人、輔助電源、高壓工業(yè)電機(jī)驅(qū)動和不間斷電源 （UPS）。羅門半導(dǎo)體的這份白皮書將批判性地研究新的混合 IGBT 系列版本及其應(yīng)用，并比較分析該系列中各種產(chǎn)品的規(guī)格。

圖 1：功率器件配置比較

電子應(yīng)用中對高效功率半導(dǎo)體器件的需求不斷增長

電子產(chǎn)品的快速小型化、多功能化以及對節(jié)能的推動已經(jīng)導(dǎo)致對高效功率半導(dǎo)體器件的空前需求。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在電子制造業(yè)中得到廣泛普及；然而，混合 IGBT 解決方案提供更高水平的可靠性，適用于高功率要求的工業(yè)和汽車應(yīng)用。該解決方案適用于電動和電動汽車 （xEV） 中的汽車充電器（車載充電器）、太陽能逆變器（功率調(diào)節(jié)器）、UPS、空調(diào)、電子壓縮機(jī)和車載 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

混合 IGBT 非常適合這些應(yīng)用，因為它們滿足低開關(guān)損耗、低 V CE、高功率轉(zhuǎn)換效率和低成本等關(guān)鍵要求。這些解決方案提供超過 97% 的效率，可確保在用于汽車充電器時具有較寬的工作頻率范圍。在 100 kHz 時，它們的效率比傳統(tǒng) IGBT 高 3%，有助于在這些汽車和工業(yè)應(yīng)用中降低功耗和成本效益。

圖 3：不同功率器件配置的功率轉(zhuǎn)換效率比較

圖 3 顯示，傳統(tǒng)的 Si FRD IGBT 在 100 kHz 時具有 94% 的最低功率轉(zhuǎn)換效率。盡管標(biāo)準(zhǔn) SJ MOSFET 和混合 IGBT 具有相當(dāng)?shù)男?，但較新的 IGBT 顯示出優(yōu)于 SJ MOSFET 的質(zhì)量，因為它們即使在更高的工作頻率下也能保持穩(wěn)定性。

將SBD 與 IGBT 集成：主要優(yōu)勢

盡管傳統(tǒng)的 IGBT 和 SJ MOSFET 是由硅襯底制成的，但它們的器件結(jié)構(gòu)存在一些差異。例如，雖然 IGBT 在開啟或關(guān)閉時會出現(xiàn)與開關(guān)損耗相關(guān)的問題（開啟和關(guān)閉損耗），并且使用 FRD 可以更有效地運(yùn)行，但 SJ MOSFET 具有更好的開關(guān)損耗相關(guān)特性，并且沒有要求對于FRD。然而，IGBT 可以處理比 MOSFET 更高的電壓，這使得它們成為多種大功率應(yīng)用的理想之選。與 SiC FRD 不同，SiC SBD 可以通過降低開關(guān)損耗來極大地提高 IGBT 的性能。

圖 4：通過集成 SiC SBD 降低開啟損耗的效果

圖 4 顯示了 SiC SBD 與 IGBT 集成的理想效果。如圖所示，與傳統(tǒng)的 Si FRD 集成 IGBT 相比，SiC SBD 集成 IGBT 與新型 IGBT 一樣，可以限制超過 10A 的電流損耗，并將功率器件的反向恢復(fù)時間縮短多達(dá) 60%。如圖 5 所示，通過將 SiC SBD 用作 FRD，混合 IGBT 與傳統(tǒng) IGBT 相比可顯著降低高達(dá) 67% 的開關(guān)損耗，與 SJ MOSFET 相比可降低 24%。

圖 5：不同功率器件配置中的損耗比較

此外，無論結(jié)溫范圍如何，SiC SBD IGBT 均可實現(xiàn)較低的正向壓降 （V f ），從而提高效率。

圖 6：SiC SBD IGBT 提供的 Vf 低于其他公司。

混合 IGBT 在各種大功率工業(yè)和汽車應(yīng)用中的優(yōu)勢

混合 IGBT 在電子應(yīng)用中具有多種優(yōu)勢。與現(xiàn)有的 IGBT 相比，它們在 E on和 E rec降低、開關(guān)效率、V CE（sat）降低、V峰值降低和整體效率方面都有顯著改進(jìn)。

E on和 E rec減少

在 IGBT 中加入 SiC SBD 可顯著降低開啟期間的能量損失 （E on ） 和反向恢復(fù)能量損失 （E rec ），最多可降低 50%。

圖 7：使用混合 IGBT 降低 Eon

傳統(tǒng)Rohm的Si FRD IGBT（RGW00TS65D）的Eon為1.11兆焦耳，而SiC SBD IGBT的Eon為0.57兆焦耳。SBD IGBT的開關(guān)將限制開關(guān)期間的能量損失，并支持大電流、高電壓應(yīng)用。

（注：Eon包括二極管反向恢復(fù)（Erec）。）

從Eon和Erec的減少中提高開關(guān)效率

Eon和Erec的減少導(dǎo)致開關(guān)能量損失的相應(yīng)減少，從而提高開關(guān)效率?；旌螴GBT的特點(diǎn)是開關(guān)能量損失從2.7兆焦耳顯著減少到1.4兆焦耳，相當(dāng)于47%。

圖 8：由于 Eon 和 Erec 減少導(dǎo)致 ESW 減少

開關(guān)效率相應(yīng)提高 3.2%，使 RGWxx65C 系列適用于硬軟件應(yīng)用。

圖 9：顯示混合 IGBT 開關(guān)效率改進(jìn)的圖表

V CE（sat）降低

圖 10 顯示，Rohm 的混合 IGBT 顯著降低了電力系統(tǒng)中的集電極-發(fā)射極電壓 （V CE ）。在 I C = 60 A 和 T j = 175?C 時，RGW00TS65C 的 V CE（SAT） = 1.85 V，比 Comp. 的傳統(tǒng) IGBT 低 0.05 V。D. 此外，在 T j = 25?C 時，混合 IGBT 的 V CE（SAT）為 1.5 V，比傳統(tǒng) IGBT 低 0.15 V。Rohm 的更薄晶圓技術(shù)和場停止導(dǎo)致 V CE（SAT）和 SW 損耗之間的最佳平衡，有利于降低整體損耗、提高效率和降低器件溫度。

圖 10：IC 與 VCE 的關(guān)系圖

開關(guān)事件期間的V峰值降低

混合 IGBT 的過沖被限制為 1，這會導(dǎo)致 V峰值顯著降低。傳統(tǒng) IGBT 的 V峰值為 519 V，而混合 IGBT 系列的 V峰值較低，為 478 V，如圖 11 所示。

圖 11：比較的 Vpeak 值比較。D和羅姆

混合 IGBT 比 Comp 更能有效降低EMI 的Rg。D. 它還有助于確保降低開關(guān)損耗，如圖 13 所示。

圖 12：EOFF+ON 與 IC、SW 的關(guān)系圖

與其他技術(shù)相比，整體效率提高

與其他技術(shù)相比，混合 IGBT 系列在高開關(guān)頻率下表現(xiàn)出卓越的效率。僅次于 SiC MOS 技術(shù)，超越 SJ MOSFET。憑借這些高水平的效率，由于極快的 SiC SBD，開關(guān)損耗顯著降低。

圖 13：混合 IGBT 與其他技術(shù)的整體效率比較

羅姆 IGBT 解決方案：規(guī)格比較

Rohm的RGWxx65C系列是第三代Rohm IGBT。該系列包括RGW60TS65CHR、RGW80TS65CHR和RGW00TS65CHR。該系列中的其他產(chǎn)品目前正在開發(fā)中，例如RGW40NL65CHR、RGW50NL65CHR和RGW60NL65CHR?，F(xiàn)有產(chǎn)品目前正處于量產(chǎn)階段，預(yù)計將于2021第1季度實現(xiàn)商業(yè)化。RGWxx65C系列的一些常見功能包括符合AEC-Q101、內(nèi)置無恢復(fù)SiC SBD、低集電極-發(fā)射極飽和電壓、無鉛鉛電鍍、符合RoHS、低開關(guān)損耗、軟開關(guān)和TO-247N封裝。

Rohm 利用溝槽柵極和薄晶圓技術(shù)來實現(xiàn)低 V CE（sat）并減少開關(guān)，從而有助于在各種大電流、高壓應(yīng)用中提高效率并節(jié)省更多能源。

表 1 和表 2 給出了羅姆混合 IGBT 規(guī)格的詳細(xì)比較。表 1 顯示了解決方案的絕對最大額定值，表 2 總結(jié)了 IGBT 電氣特性。

表 1：絕對最大額定值（Tc = 25?C 時，除非另有說明）

表 2：IGBT 電氣特性（Tj = 25?C 時，除非另有說明）

這種混合型 IGBT 的三個成員的額定電壓為 650 V CES ，額定電流為30-A 至 50-AI C。此外，它們的工作結(jié)溫相似，為 –40°C 至 175°C。

然而，RGW00TS65C IGBT 表現(xiàn)出最高的開關(guān)損耗，在 25°C 和 175°C 的工作結(jié)溫下分別為 0.18 mJ 和 0.19 mJ。這些值低于傳統(tǒng)的 IGBT，使其適用于多種應(yīng)用。

審核編輯：郭婷