隨著功率電子和半導體技術的快速進步，各類電力電子應用都開始要求用專門、專業(yè)的半導體開關器件，以實現(xiàn)成本和性能的共贏。與傳統(tǒng)的非穿通(NPT) IGBT相比，場截止(FS) IGBT進一步降低了飽和壓降和開關損耗。此外，通過運用陽極短路(SA)技術在IGBT裸片上集成反向并聯(lián)二極管這項相對較新的技術，使得FS IGBT非常適合軟開關功率轉換類應用。

 

 

雖然NPT（非穿通）IGBT通過減少關斷過渡期間少數(shù)載流子注入量并提高復合率而提高了開關速度，但由于VCE(sat)較高而不適合某些大功率應用，因為其n-襯底必須輕度摻雜，結果在關斷狀態(tài)期間需要較厚的襯底來維持電場，如圖. 1(a)所示。–n-襯底的厚度是決定IGBT中飽和壓降的主要因素。

 

傳統(tǒng)NPT IGBT的“n-”漂移層和“p+”集電極之間的“n”型摻雜場截止層（如圖1(b)所示）顯著提高了IGBT的性能。這就是場截止IGBT的概念。在FS IGBT中，電場在場截止層內急劇減弱，而在“n-”漂移層中則為逐漸減弱。因此，“n-”漂移層的厚度和飽和壓降得到了顯著改善。溝道柵極結構也改善了飽和壓降。此外，F(xiàn)S IGBT的場截止層在關斷瞬間可加快多數(shù)載流子復合，因此其尾電流遠遠小于NPT或PT IGBT。由此降低了開關損耗和關斷能量Eoff。

圖1: NPT IGBT（左）和場截止IGBT（右）

 

同時，出現(xiàn)了一個新的概念——陽極短路IGBT(SA IGBT)：它允許將體二極管以MOSFET的方式內嵌到IGBT中。圖2顯示場截止溝道陽極短路(FS T SA)IGBT概念的基本結構，其中，“n+”集電極與場截止層相鄰，作為PN二極管的陰極，而“p+”集電極層作為FS T IGBT的共集電極。

圖2: FS SA T IGBT的截面圖

圖3: 典型輸出特性對比

 

圖3顯示新陽極短路器件(FGA20S140P)、前代器件(FGA20S120M)和最佳的競爭產品之間的典型輸出特性對比。在額定電流20 A的條件下，F(xiàn)GA20S140P的飽和電壓VCE(sat)是1.9 V，而 FGA20S120M的飽和電壓是1.55 V，最佳競爭產品的飽和電壓是1.6 V。圖4顯示反向恢復性能對比結果。SA IGBT的反向恢復性能稍遜于與IGBT共封裝的超快速恢復二極管(UFRD)。幸運的是，較高的VCE(sat)并不會對感應加熱(IH)應用造成危害。

圖4: 反向恢復性能對比

 

采用已針對感應加熱應用優(yōu)化了的先進場截止陽極短路技術，F(xiàn)airchild最新的二代FS T SA IGBT技術，與以前版本相比，不僅顯著提高了擊穿電壓，而且提高了開關性能；即使如此，VCE(sat)還是稍顯偏高。采用軟開關測試設備得到的關斷特性對比如圖5所示。FS T SA IGBT的關斷能為573μJ ，而前一代FGA20S120M的關斷能為945μJ，而最佳競爭產品的關斷能則為651 μJ。因此，在此模擬感應加熱應用的特定軟開關測試中，新一代FS T SA IGBT器件的關斷能至少減少了12%！

圖5: Eoff對比

 

 

表1:關鍵參數(shù)對比

* 在Ioff= 40 A 和dv/dt = 140.1V/μs條件下測量

 

總結

 

本文介紹以類似MOSFET的方式內嵌固有體二極管的最新一代陽極短路IGBT。與最佳競爭產品和前代產品相比，該器件具有Eoff較小的特性?？傊?，新器件使得FS IGBT更適用于不需要高性能反向并聯(lián)二極管的軟開關應用。