得益於溝槽終止型IGBT技術發展，IGBT器件已經具有非常高的性能，然而高性能往往伴隨著一些挑戰，這些挑戰與器件的剛性行為有關。來自羅姆半導體的全新第3代IGBT提供了性能和易用性之間的最佳折衷方案，在簡化PCB設計和電磁干擾（EMI）濾波設計的同時具有較高系統效率。
作者：Masaharu Nakanishi 及 Vladimir Scarpa, 羅姆半導體
羅姆半導體於2009年開始生產IGBT器件，並在其第2代IGBT產品中引入了輕穿通型（LPT：Light Punch Through）結構，如圖1所示。LPT結構為IGBT帶來了飽和電壓VCE(sat) 降低和開關速度加快等諸多好處，這是由於其漂移層中的載流子濃度梯度低於使用外延層的傳統穿通型IGBT，這樣一來，電子電流密度 （多數載流子）在增加，而空穴密度（少數載流子）減少。[1]
在第3代IGBT中，除了採用LPT結構之外，還實現了單元結構的明顯縮小，從而減少了器件的寄生電容，優化了動態特性並減少了驅動器所需能量。最後，實現了晶圓厚度相對於前一代減小15％，這不僅減少了器件導通狀態下的損耗，而且還降低了動態損耗，因為其在關斷過程中必須提取載流子更少了。
圖1：羅姆半導體穿通型IGBT技術演化
產 品 系 列
羅姆第3代IGBT的完整產品系列如表1所示，其器件命名規則如圖2所示，與其他IGBT廠商的命名方式的主要區別是，羅姆IGBT型號的前部分為TC=100 °C時額定電流的兩倍。對於當前所有類別中有兩種芯片配置方式，即IGBT芯片單獨封裝或與快速恢復二極管（FRD）共同封裝。在RGTV系列中，FRD與IGBT具有相同的額定電流。RGW系列中的FRD的額定電流比IGBT的低，其FRD的額定電流如表1中的括號內所示。
第3代IGBT產品分為兩個不同的系列：
- 用於快速開關的RGTV系列，其短路耐受時間（SCWT）為2 μs；
- 用於更快速開關的RGW系列，主要針對SCWT不做要求的應用。
這些器件的額定電流在TC=100 °C的情況下從30 A到80 A，並採用TO-247N（非隔離型）和TO-3PFM（隔離型）等封裝中，具體如表1所示
RGTV系列
RGW系列
表1：羅姆第3代IGBT產品列表
圖2：羅姆IGBT產品命名規則
產 品 定 位
羅姆半導體提供多個IGBT系列，且每個系列均可根據特定的應用要求進行量身定製短路耐量（SCWT）、飽和壓降VCE(sat)和動態損耗等。圖3根據額定SCWT（x軸）和工作開關頻率（y軸）展示了羅姆IGBT產品系列及其應用領域。如圖3所示，全新的第3代IGBT產品主要針對單相電源、光伏逆變器、不間斷電源（UPS）、電池充電器和焊接機等高效工業應用。在這些應用中，僅需要非常短的短路耐量甚至對此不做要求，但要求IGBT性能最大化，這恰好是羅姆第3代IGBT器件所能夠提供的。
圖3：羅姆半導體IGBT產品系列及其應用領域
器 件 性 能
羅姆第3代IGBT的結構使其VCE(sat)和關斷損耗之間具有更好的折衷特徵，可以優化這些參數並且由此獲得具有更低靜態/動態損耗的器件。圖4給出了第2代IGBT RGTH系列和第3代IGBT RGTV系列相同額定電流的產品之間的對比。兩個器件的VCE(sat)被繪製為集電極電流、室溫以及最高結溫的函數，如左圖所示。相對第2代產品，全新器件的VCE(sat)在Tj=25 °C時降低了0.1 V（6％），在Tj= 175 °C時降低了0.25 V（12％）。
圖4：羅姆第2代IGBT與第3代IGBT的動靜態特性對比
圖4中的右圖給出了在相同的條件下兩個器件的關斷測試波形，可以看出第3代IGBT在結構優化後帶來的改善。RGTV60TS65D在關斷過程中的集電極電流迅速降低至零，拖尾電流很小，其Eoff相對RGTH60TS65D的降低了10％。
RGW系列為快速IGBT器件，圖5中的波形可以說明這一點，其在相同條件下對比額定電流同為50A的RGTV系列RGTV00TS65D與RGW系列 RGW00TS65D的關斷特性，可以看出RGTV00TS65D的關斷時間更長，而RGW00TS65D的Eoff相對降低了25％。
圖5：額定電流 50A的RGTV系列與RGW系列IGBT的關斷特性對比
與IGBT技術改進相同，與第3代IGBT芯片同時封裝的快速恢復二極管（FRD）技術也得到了改進。全新的第6代FRD技術具有更薄的晶圓厚度並採用了場終止結構，這使其具有更低的正向電壓(VF)和更小的反向恢復電荷（QRR），這些均是逆變應用中的重要參數，能夠降低二極管本身及其對應IGBT的損耗。與此同時，第6代FRD芯片在關斷中也具有非常平滑的響應，保證了快速而軟的開關換向，避免了FRD與IGBT中的振盪。圖6給出了羅姆最新的第6代FRD、競爭對手A及競爭對手B相關型號的關斷波形對比，可以看出第6代FRD的電流和電壓幾乎沒有振盪，同時其也是QRR隨溫度升高最小的被測器件。
圖6：第6代FRD結構（左）及額定電流30 A的FRD間的關斷特性對比（Tj= 25 °C和Tj= 125 °C）
逆 變 應 用 的 優 勢
光伏逆變器和UPS等系統中至少包含一個將直流電轉換為交流電的逆變電路，其中光伏逆變器所產生的交流電量將被注入電網側，而UPS則將交流電量供給交流負載。通常在單相系統中採用的是半橋（HB）和全橋（FB）等拓撲結構，而在三相系統中主要採用三電平中性點鉗位（NPC）拓撲。這些拓撲結構都廣泛採用IGBT分立器件和模塊以用於導通及關斷時的硬開關，因此同時封裝的反並聯二極管的性能起著重要的作用。如前所述，與IGBT芯片同時封裝的第6代FRD具有更低的正向電壓和更小的反向恢復電荷。採用單相全橋逆變電路對第3代IGBT在硬開關運行中的性能進行評估，圖7中左圖為電路示意圖，而右側表格包含了主要電氣參數。
圖7：測試電路示意圖（左）及主要電氣參數（右）
採用第2代IGBT（RGTH80TS65D）與第3代IGBT（RGW80TS65D）應用於圖7中電路進行對比。同時競爭對手C在市場上的標杆器件也被用於測試對比。選擇合適的柵極電阻Rg(off)以避免在關斷期間產生過大的電壓尖峰（VDS）。逆變電路環路電感非常低，約為50 nH，因此可以選擇較小的柵極電阻。對於RGTH80TS65D和RGW80TS65D而言，Rg(off)=5 Ω時關斷期間的最大電壓尖峰為520 V，比擊穿電壓低20％。競爭對手C相關型號產品需要將Rg(off)增加到10 Ω，以達到20％的電壓餘量。此外，這3個器件的導通柵極電阻Rg(on)均為 5 Ω。
利用上面定義的柵極電阻，可以在不同的負載條件下測量逆變器的效率，並將這些測試值繪製在圖8中，它們包括IGBT的損耗以及輸出濾波器、電纜和連接器中的損耗。
在圖8中可以明顯看到第3代產品相對於第2代產品的改進，在小功率條件時效率相對提高了1.4％，而中高功率條件下的改善為0.4％。競爭對手C相關型號和RGW80TS65D（第3代）之間的差別在於測量精度，因此可以忽略。
圖8：額定電流同為40A的羅姆第2代產品、第3代產品與競爭對手C相關型號間的效率對比
關 斷 特 性
除了上述性能外，IGBT的另一個重要特性是關斷時的VCE特性，該特性與VCE產生的振盪有關，最終反映到柵極電壓上。
圖9顯示了RGW80TS65D（左側）和競爭對手C另一個型號（右側）之間的比較，這款是前面提到競爭對手C相關型號的高速版本，在這裡被標記為競品B。測試波形是在在便攜式焊機的測試中獲得，該電路具有相當高的環路雜散電感（高於100 nH）。[2]
競品B在Rg(off) =10 Ω的條件下測試波形如圖9的右上角所示，其與RGW80TS65D（左）的波形相比，其高達244 V的VCE過沖為RGW80TS65D的120 V的兩倍，而且在第一個峰值之後還有一系列的振盪。而在RGW80TS65D的VCE波形只有一個過沖，之後VCE平穩地達到直流母線電壓。因此，可以預計RGW80TS65D的EMI要低得多。另外，集電極和柵極之間的反饋電容導致的VCE振盪也將反映在VGE中，從而產生遠高於IGBT閾值電壓的正峰值，並帶來寄生導通和腿部直通的風險，從而導致整個機器的損壞。
圖9：IGBT在可攜帶式電焊機上的測試波形對比（VCE (黃)、VGE (藍)）
可以通過增加關斷電阻來減少IGBT中的振盪，採用Rg(off) =33 Ω的競品B的測試波形如圖9右下角所示，可以看出振盪相對圖9右上角的波形小很多，然而即使其峰值減小了，但是VCE中的振盪依舊沒有太多改善。此時，競品B的振盪比RGW80TS65D在 Rg(off) =10 Ω時的時間更長， 另外其VGE的峰值仍高於IGBT閾值電壓。
總 結
來自羅姆半導體的第3代IGBT具有顯著的技術改進，RGTV和RGW等兩種版本均採用標準TO-247N封裝，並能提供額定電流值高達50 A（RGW）和80 A（RGTV）的IGBT器件，其性能滿足單相電源、電焊機、光伏逆變器、UPS和電池充電器等諸多工業應用的要求。
羅姆第3代IGBT器件在逆變器的實驗測試證明了其與市場標杆產品的性能相當。與市場上其他高速IGBT不同，羅姆第3代IGBT產品具有軟關斷和無振盪關斷等功能，即使採用較小的外部柵極電阻，也能保證安全運行，結合共同封裝的羅姆全新第6代快速恢復二極管，其在性能、設計簡單性和濾波效果之間提供了最佳折中方案。
參 考 文 獻
[1] Hondo et al, “High efficient and soft IGBT technology”, PCIM 2017
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