不同 IGBT 架構(gòu)的高效電機驅(qū)動應(yīng)用

　　在選擇 IGBT 時，設(shè)計人員面臨許多架構(gòu)選擇，這些選擇可能會偏向于一種形式的 IGBT，例如對稱阻斷與非對稱阻斷。本文將回顧不同 IGBT 架構(gòu)提供的設(shè)計選項。

　　與具有類似額定電壓的功率 MOSFET 相比，絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） 是電機驅(qū)動應(yīng)用的常見選擇，因為它具有高阻斷電壓和低成本。該技術(shù)允許設(shè)計變頻驅(qū)動器，這被視為對節(jié)能系統(tǒng)有益。

　　IGBT 提供驅(qū)動重要逆變器級所需的開關(guān)能力。通常，使用 200-240 V AC電源供電的驅(qū)動器需要 600 V 的額定阻斷電壓，而 460 V AC應(yīng)用則需要 1200 V。

　　IGBT 的結(jié)構(gòu)從 1980 年代的功率 MOSFET 演變而來，以應(yīng)對增加阻斷電壓的需要。這是通過在 MOSFET 架構(gòu)的漏極上增加一個額外的 PN 結(jié)，創(chuàng)建雙極晶體管結(jié)構(gòu)和整體 NPNP 半導(dǎo)體來實現(xiàn)的。與當(dāng)今制造的大多數(shù)功率晶體管一樣，晶體管的結(jié)構(gòu)是垂直的而不是水平的，PNP 雙極晶體管的集電極位于管芯的背面。包含 N 摻雜阱的 AP 或 P+ tub 連接源極/發(fā)射極和柵極區(qū)域。電流流過這個槽，進(jìn)入一個比較寬的 N 摻雜漂移區(qū)，進(jìn)入集電極。但是，由于它具有 MOSFET 的絕緣柵極，因此該器件作為一個整體保持電壓控制而不是電流控制。

　　雖然它通常提供比 MOSFET 更高的電壓隔離，但 IGBT 的架構(gòu)意味著它不能快速開關(guān)，這限制了逆變器中使用的開關(guān)頻率，盡管器件結(jié)構(gòu)的最新進(jìn)展已將有效開關(guān)頻率推向 100 kHz。IGBT 的效率通過比 MOSFET 更低的導(dǎo)通電壓降來提高。此外，與同等 MOSET 相比，高電流密度允許使用更小的裸片達(dá)到更高的額定功率，從而提高成本效益。

　　早期的 IGBT 設(shè)計方法包括對稱結(jié)構(gòu)，也稱為反向阻斷架構(gòu)。它們具有正向和反向阻斷功能，適合交流應(yīng)用，例如矩陣（AC-to-AC）轉(zhuǎn)換器或三電平逆變器。非對稱結(jié)構(gòu)僅保持正向阻斷能力，但往往比對稱結(jié)構(gòu)更廣泛地使用，因為它們通常提供比對稱 IGBT 更低的通態(tài)電壓降。不對稱結(jié)構(gòu)適合直流應(yīng)用，例如變速電機控制。然而，IGBT 電機控制應(yīng)用往往涉及感性負(fù)載并且通常是硬開關(guān)，需要將 IGBT 與續(xù)流二極管并聯(lián)使用，以允許反向電流在這些拓?fù)渲辛鲃?。然而?/p>

　　IGBT 的另一個區(qū)別在于穿通 （PT） 和非穿通 （NPT） 架構(gòu)。PT 設(shè)計主要用于較低的隔離電壓，并使用在 P+ 襯底和集電極區(qū)域上生長的 N+ 區(qū)域。當(dāng)器件關(guān)閉時，N-漂移會完全耗盡載流子，這種效應(yīng)會“穿透”到下面的 N+ 層，但不會完全穿過它進(jìn)入集電極。結(jié)果是一個非常薄的 N 區(qū)域，可最大限度地降低開啟電壓。額外的 N+ 層還通過減少注入 P+ 襯底的多余空穴的數(shù)量來提高開關(guān)速度。當(dāng)設(shè)備關(guān)閉時，這些載體會很快被移除。

　　不幸的是，高摻雜會引入大量少數(shù)載流子，需要在 IGBT 關(guān)斷后去除這些載流子，這會增加開關(guān)時間，從而降低效率。這是與功率 MOSFET 相比開關(guān)頻率較低的主要原因之一。PT IGBT 也可能遭受熱失控。

　　NPT 的開發(fā)是為了避免 PT 架構(gòu)的主要問題并去除 N+ 緩沖層。但是，它們經(jīng)過精心設(shè)計，以避免讓電場一直滲透到收集器。晶體管的制造方式通常與 PT 器件不同。與在 P 摻雜襯底頂部外延形成 N 區(qū)不同，NPT 晶體管通常使用 N 摻雜襯底制成，集電極區(qū)生長在背面。

　　通過將晶圓減薄至 100 μm 或更小，可以使用非常輕摻雜的集電極區(qū)，同時仍能實現(xiàn)低電阻和高性能。使用較輕的摻雜減少了器件在導(dǎo)電時可以存儲在器件中的電荷量，這轉(zhuǎn)化為更好的開關(guān)性能，因為在器件切換時需要殺死的載流子更少。

　　Fairchild Semiconductor的FGP10N60和FGP15N60使用NPT 技術(shù)支持一系列電機驅(qū)動應(yīng)用。它們在 150°C 時提供高達(dá) 10 μs 的短路電阻，并表現(xiàn)出約 2 V 的飽和電壓。為了支持高開關(guān)速度，晶體管的關(guān)斷延遲時間剛剛超過 55 ns。

　　大約十年前，國際整流器等制造商轉(zhuǎn)向了溝槽結(jié)構(gòu)。溝槽架構(gòu)不僅通過減小柵極和基極區(qū)域的有效直徑來實現(xiàn)更高的溝道密度，它還增強了累積層電荷注入并減少了舊平面設(shè)計所遭受的寄生 JFET 的影響。對于給定的開關(guān)頻率，與傳統(tǒng)的 PT 和 NPT 結(jié)構(gòu)相比，溝槽結(jié)構(gòu)降低了傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。溝槽 IGBT 現(xiàn)在可從許多供應(yīng)商處獲得廣泛的額定值。IR 自己的范圍涵蓋了關(guān)鍵的600 V 和 1200 V阻斷電壓范圍。

　　典型的器件IRGB4060是一個 1.55 V 晶體管，采用軟恢復(fù)反向二極管封裝，提供低至 95 ns 的關(guān)斷延遲時間，以支持相對較高的開關(guān)頻率。

　　向薄晶圓 NPT 器件添加場終止區(qū)可以進(jìn)一步提高性能。有點類似于 PT 概念，該層阻止電場，允許使用更薄的晶片來獲得相同的高擊穿電壓。通過控制場截止層和 p+ 集電極層的載流子濃度，可以提高背面結(jié)的發(fā)射極效率。因此，場停止提供了更快的開啟低 V CE（sat）的設(shè)備，這可以通過更薄的晶圓實現(xiàn)。

　　場截止技術(shù)使得將許多電路中所需的續(xù)流二極管與 IGBT 本身集成起來變得更加容易。英飛凌科技的TrenchStop系列器件就是一個例子。該系列的許多成員將二極管作為核心 IGBT 元件的一部分，允許反向電流通過器件。其他公司通過將二極管集成在封裝內(nèi)來提供針對電機控制等應(yīng)用優(yōu)化的二極管技術(shù)，例如IKD06N60RF，它支持高達(dá) 30 kHz 的電機控制開關(guān)速度。

　　圖 1：英飛凌 IGBT 向 TrenchStop 工藝的演變。

　　IXYS開發(fā)了多個系列的場停架構(gòu)，最終形成了Gen3 和 Gen4 系列。Gen4 架構(gòu)將溝槽拓?fù)渑c Gen3 的“極光穿透”（XPT） 場截止設(shè)計相結(jié)合，支持低通態(tài)電壓和快速關(guān)斷的組合，從而最大限度地降低開關(guān)損耗。

　　這些器件具有方形反向偏置安全工作區(qū) （RBSOA） 形狀，擊穿電壓高達(dá) 650 V，高溫下額定電流是標(biāo)稱電流的兩倍，適合無緩沖器硬開關(guān)應(yīng)用。這些器件可與反并聯(lián)二極管共同封裝，并具有在 150°C 下長達(dá) 10 μs 的高溫短路耐用性。

　　圖 2：經(jīng)典和 IXYS XPT 架構(gòu)之間的差異。

　　器件結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步進(jìn)步（例如晶圓減薄和改進(jìn)的摻雜控制和器件結(jié)構(gòu)）可能會提高 IGBT 的性能，使功率 MOSFET 在高效電機驅(qū)動應(yīng)用中具有激烈的競爭，尤其是在成本是關(guān)鍵考慮因素的情況下。