潜在技术的进步扩展了IGBT性能

绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件是高性能电源转换(HPPC)电路中的重要元件。功率MOSFET一般用于低、中压应用，而IGBT(额定电压超过1kV)经高度优化以部署于具有挑战性的高压环境。提高工作能效和减少损耗是目前工程师使用这些器件的基本关注点。下文详细地介绍了如何解决这个问题。

宽带隙技术，如氮化镓(GaN)或碳化硅(SiC)具有很好的前景，但离成为一个具有性价比的策略用于绝大多数应用仍然有很长一段路，因为目前单价太高。估计广泛采用GaN/SiC技术可能至少还需要5~8年，需要技术成熟和更大的规模经济以使价格降低到可接受的水平。因此，这个选择在商业上尚不可行，迫切需要某种替代品。

不转向新的半导体材料，业界必须找到一种方法来推动现有IGBT技术的性能范围。问题是：要怎么做？

应用需求

需要技术的推进使高压IGBT元件可支持现在所需的更高频率水平，往往至少高于20kHz用于许多高性能电源转换应用。这种性能将用于越来越多的应用领域，如混合/电动汽车(HEV)、太阳能设施、不间断电源(UPS)设备和HEV充电站。在这些应用中更高频率的电源能效必须显著提升(在许多情况下近95%)。这意味着，需要降低传统IGBT技术中的开关损耗以满足这些应用的需求。

还有防止与IGBT有关的热问题也很重要，不容忽视。在当今复杂的电源系统设计中，空间往往受到诸多限制。通过改善开关性能从而提高系统能效，可以充分减少散热机制需占的面积。这将实现更好的电路板空间利用率，降低物料单成本，同时还确保维持可靠性。

停留使用硅技术而提高IGBT性能特征的唯一途径，就是要开辟IGBT设计的新方法。有2个重要的标准界定IGBT工作和对IGBT的电源能效产生最严重的影响。首先，有总开关损耗(Ets)，这是导通(Eon)和关断(Eoff)的开关损耗的总和。

IGBT开关损耗可能是巨大的，尤其是当该器件运行在更高的开关频率和/或更高的工作温度时。其次，有传导损耗因素，其中涉及到集电极-发射极饱和电压(VCEsat)。在开关损耗性能和导通损耗性能之间存在一个不可避免的折中。因此，它不实现其它任何目的，只专注于减少开关损耗。设计工程师需要着眼整个方案，而不是一个单独的元件。通常参考以下品质因数(FoM)：

FoM = VCEsat x Ets

此FoM为工程师提供了一个一致的方式，来衡量IGBT的性能和比较由不同供应商提供的器件。

降低IGBT开关损耗

如前所述，IGBT的开关性能从根本上由Eon和Eoff两部分组成。可通过两种方式降低IGBT的Eoff：

a, 通过增加器件的速度，即是减少由高到低的转换时间
b, 通过减小尾流

图1显示两种不同的情况下，通过上述方法降低Eoff。灰色波形为通过提高器件速度(很高的di/dt)降低Eoff导致明显的震铃。这种方法不仅从电磁干扰的角度来看是不受欢迎的，而且震荡还增加损耗，如果峰值电压超过器件的击穿电压，还加大器件被损坏的风险。减少尾流的替代方法(绿色波形)显然更可取，因为它能减少损耗，同时保持软的和平滑的关断。

图1：降低Eoff的两种方式。

Voltage ringing due to fast turn off(high di/dt)：由于快速关断(高di/dt)产生电压震铃

Eoff Reduced by cutting tail current is better approach：通过减少尾流降低Eoff是更好的方法

图2：快速开关响应产生震铃。

Lower IRRM reduces power loss in diode：降低IRRM减少二极管功耗

TRR reduction is desirable, but should not result in ringing：降低TRR是可取的，但不应产生震铃

IGBT制造挑战

现今几乎所有的IGBT都被设计为“纵向”器件，即发射极和栅极端子在晶片基板一侧形成图案而集电极端子在另一侧。此器件的FoM与构成器件的晶片的厚度成反比，也就是说晶片越薄，IGBT的FoM越高。当今的IGBT通常建构在＜200µM的晶片上。

从本质上讲，最直截了当提高IGBT的FoM的方式是减少其厚度。然而，使用更薄的晶圆有一些显著的挑战。显然，处理薄如人的头发的晶片是制造过程中存在的主要问题。但是，更重要的是减少厚度也会导致较低的击穿电压。

最新的IGBT技术使用一种叫做场截止的技术以降低厚度，同时不降低击穿电压。该技术在集电极层和大部分的硅之间引入了一个缓冲层(也被称为场截止层)。场截止层除了支持更高的击穿电压，还有利于降低IGBT的Eoff。虽然厚的场截止层从器件性能的角度来看是非常理想的，但所需的硅处理技术不简单。

下一代IGBT方案

安森美半导体采用公司专有的超场截止(UFS)沟槽技术，已经推出了一系列极高FoM 的1200 V IGBT。标准的1200 V/40 A器件采用UFS技术，具有比当今市场可提供的最好的大多器件低40%的ETS 和低15%的VCEsat。这意味着这些器件可以提供现在规定的很高的性能，抑制系统能量损失和提高电源能效水平。

UFS器件建于SOI(绝缘硅)基板上。UFS也首次使1200 V IGBT使用仅105 µm厚的晶片。超薄的器件当然由超厚的场截止层支持。结合厚的场截止层和薄的晶片有助于这些器件具有如此出色的FoM。

另一个有利于提升这些器件性能的是与IGBT元件共同封装的非常先进的铂硅整流器。这经专门优化以结合UFS技术工作。它有助于减少反向恢复损耗，而无震铃。

图3所示为对比该UFS器件和安森美半导体上一代行业标准的FS2 技术，基于一个普通的半桥逆变器的功率损耗的差异。执行该测量的应用条件的详细信息如图所示。结果表明，UFS技术显著减少功率损耗。

图3：采用UFS技术提升能效和减少功率损耗。

Efficiency：能效

Power Loss：功率损耗

Conditions：条件

Measured on Yokogowa power analyzer：使用横河(Yokogowa)电源分析仪测量

总结

离采用GaN或SiC还要许多年，至少对于主流的利用，电源IC供应商需要为市场仍然基于成熟的硅工艺的高压开关器件，目前IGBT技术无疑是一种具有很大前景的技术。结合较新的IGBT技术如UFS及先进的快速恢复二极管技术，使电源能效水平将被进一步推进以满足应用需求。