工艺增强提高电机驱动应用的IGBT效率

　　选择IGBT时，设计师面对的是一批建筑的选择，有利于IGBT的一种形式，如对称与不对称阻塞，在另一个。本文将回顾由不同的IGBT架构提供的设计选项。

　　绝缘栅双极晶体管(IGBT)是一种常见的电机驱动应用的选择，由于它的高阻断电压和低成本相比，功率MOSFET具有类似的电压等级。该技术允许设计变频驱动，这对节能系统很有好处。

　　IGBT提供了驱动重要逆变级所需的开关能力。通常情况下，一个600 V额定阻断电压是驱动操作从200-240伏电源需要1200伏惠460 VAC的应用。

　　在20世纪80年代，IGBT的结构从功率MOSFET演变而来，以满足增加阻断电压的需要。这是通过增加一个额外的PN结漏MOSFET架构实现，创建一个双极性晶体管结构和整体网络即插即用半导体。同今天制造的大多数功率晶体管一样，晶体管的结构是垂直的而不是水平的，PNP双极晶体管的集电极放置在模具的背面。P或P +浴缸包含氮威尔斯链接源/发射极和栅极区。电流流经这桶到较宽的掺杂漂移区的收藏家。然而，由于它具有MOSFET的绝缘栅极，所以整个器件保持电压控制而不是电流控制。该联锁双极晶体管的增益需要仔细地控制抑制操作作为一个网络即插即用晶闸管。

　　虽然它通常提供比MOSFET更高的电压隔离，但IGBT的结构意味着它不能像开关那样快速地切换，这限制了变频器中使用的开关频率，尽管最近设备结构的进步已经将有效的开关频率推向100千赫。IGBTs效率是由一个较低的通态压降比MOSFET的改进。此外，高电流密度允许较高的额定功率是一个比一个更小的芯片达到等效的调谐，从而提高成本效益。

　　早期的IGBT设计方法包括对称结构，也称为反向阻塞结构。它们具有正向和反向阻断功能，适合于AC应用，如矩阵(AC或AC)转换器或三电平逆变器。非对称结构仅维持正向阻断能力，但往往是因为他们通常会提供较低的通态压降比对称IGBT的使用比对称结构更广泛。不对称结构适用于直流调速电机调速等场合。然而，IGBT的电机控制应用往往涉及一个感性负载，通常是硬切换，需要使用的IGBT并联一个续流二极管允许反向电流在这些拓扑结构。然而，这种二极管通常比等效功率MOSFET体二极管具有更高的性能。

　　在IGBTs进一步区分穿通(PT)和非穿通(NPT)架构。PT设计主要用于降低隔离电压，并使用生长在P +衬底和集电极区域的n +区域。当设备关闭时，N漂移完全耗尽了载流子，这种效应“穿过”进入N层，但不能完全通过它进入收集器。其结果是一个非常薄的n区域，最大限度地降低导通电压。额外的n +层还通过减少注入到P +衬底中的过剩空穴的数量来提高开关速度。当设备关闭时，这些载体很快被切除。

　　不幸的是，高掺杂引入了大量的少数载流子，需要在IGBT关断后除去，这增加了开关时间，效率也随之降低。这是与功率MOSFET相比，开关频率较低的一个主要原因。PT IGBT也遭受热失控。

　　为避免PT体系结构的主要问题，并去掉N +缓冲层，开发了NPT。然而，它们是精心设计的，以避免让电场渗入到收集器。晶体管一般不同于铂器件。而不是外延形成N区顶部的p型掺杂的衬底，NPT晶体管通常使用掺杂衬底与集电区的背面生长。

　　通过减薄硅片的100µm或更小，它可以使用一个非常轻掺杂的集电极区域仍然实现低电阻和高性能。使用较轻的掺杂降低了在进行操作时可以存储在设备中的电荷量，这就意味着在切换设备时需要杀死更少的载流子，从而转化为更好的开关性能。

　　从仙童半导体公司使用fgp10n60和fgp15n60 NPT技术支持一系列的电机驱动应用。他们提供了10µ短路电阻在150°C具有饱和电压约2 V的支持更高的开关速度，晶体管具有延迟关闭时间超过55纳秒。

　　像国际整流器公司这样的制造商几乎在十年前就转移到了壕沟结构。沟槽结构不仅使高通道密度减少有效直径的门和基区，它增强了积累层电荷注入效应和减少寄生JFET的平面设计受老。对于一个给定的开关频率，沟槽结构降低了传导和开关损耗相比，传统的PT和NPT结构。现在Trench IGBTs在一个广泛的来自多个供应商的评级是可用的。IR自己的范围涵盖了关键的600 V和1200 V阻断电压范围。

　　一个典型的irgb4060装置，是一个1.55 V晶体管封装有软恢复二极管反向并提供关闭延迟时间为95 ns的支持比较高的开关频率。

　　将现场停止区域添加到薄晶圆不扩散装置可以进一步改善性能。有点类似于PT的概念，该层停止电场，使一个更薄的晶圆使用相同的高击穿电压。通过控制场阻挡层和p集电极层的载流子浓度，可以提高背面结的发射效率。作为一个结果，现场停止提供更快的开关在低VCE(SAT)装置更薄的晶片成为可能。

　　场终止技术使它更容易集成续流二极管和IGBT本身在许多电路需要。的例子在于器件的TrenchStop家族从英飞凌。家庭的一些成员形成二极管的核心IGBT元件的一部分，允许反向电流传导通过设备。他人提供半导体应用技术如包内的二极管集成电机控制进行了优化，如ikd06n60rf，支持电机控制高达30 kHz的开关速度。

　　图像的演变过程对trenchstop英飞凌IGBT

　　图1：进化过程对trenchstop英飞凌IGBT。

　　IXYS了场停止架构的几个系列，最终在3和Gen4家庭。Gen4建筑结合的“极端光冲沟的拓扑结构，通过“(XPT)场停止设计的Gen3支持状态电压低相结合的快速关闭，开关损耗最小。

　　这些器件具有一个方形的反向偏压安全操作区(RBSOA)在高温下形成了650 V的击穿电压和倍额定电流，适合他们的无缓冲的硬开关应用。该设备可以共同封装的反并联二极管和特征高温短路强度只要10µ在150°C.

　　经典和IXYS XPT架构之间的差异的图像

　　图2：经典和IXYS XPT架构之间的差异。

　　在装置建设如晶圆减薄和改进的兴奋剂和器件结构可能会增加IGBT的性能的进一步发展，提供功率MOSFET的高效电机驱动应用的激烈竞争，特别是在成本是一个重要的考虑因素。

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