[经验]

面向嵌入式系统的优化型IGBT

2018-12-3 13:47:00

1634 英飞凌 IGBT 嵌入式

IGBT（绝缘栅双极晶体管）生产和封装技术的革命性发展，拓宽了这种主力电源开关技术的应用范围。IGBT的基本概念是双极性（高电流密度）的开关器件，以及如MOSFET器件上的高阻抗栅极。尽管人们早在20世纪60年代末就提出了IGBT的构想，但直到20世纪80年代中期才推出商用化的IGBT器件。

第一代IGBT采用“穿通”（PT）工艺，开关频率可以达到15 kHz，但当多个这样的器件并联时，集电极-发射极饱和电压（VCE(SAT)）的负温度系数会带来较高的热逸溃风险。1999年，半导体行业通过采用同质原料和工艺创新，改善了IGBT的制造成本，结果成就了“非穿通型”（NPT）IGBT。这些器件支持高达30 kHz的开关频率，集电极-发射极饱和电压的温度系数为正，这意味着可以更加轻松地实现器件并联。不过，垂直结构的通道越长，集电极-发射极饱和电压值就越高，相应地，通态损耗就会增大。

场终止和英飞凌获得专利的TrenchStop概念于2002年推出（首先应用于1,200 V器件，随后在2003年应用于600 V器件）。栅极的垂直沟槽结构为提高电流密度创造了条件，而场终止概念的引入，使晶片变得更薄，相应地IGBT关断时拖尾电流更短。更薄的晶片和因此而缩短的通道，带来了三重效益——通态损耗降低大约40%；开关损耗未增加；生产成本比早期器件降低10%（图1c）。

这十年，IGBT制造商的重点一直是对工艺技术进行微调。英飞凌的第三代高速IGBT系列（2010年量产）可支持开关频率高达100 kHz的应用，其关断损耗要比前代NPT IGBT低35%。随着生产成本的降低，该系列器件的样片的定价从1.90欧元（600 V、20 A）到5.10欧元（1,200 V、40 A）。

针对应用而优化的IGBT
提高能源效率和改进系统成本，仍然是光伏逆变器、不间断电源（UPS）和焊接系统等传统IGBT应用，以及电动汽车/混合动力汽车、电磁感应加热和开关模式电源等新兴应用的追求目标。

例如，将续流二极管集成至IGBT的晶元设计（图1d），带来了全新的逆导器件（RC-IGBT）。由于总体系统硅成本降低，这些器件成为感应加热等应用的理想之选。

汽车应用是IGBT的另一个增长领域。固有结温高达175°C的分立式器件，是目前某些电动汽车（例如特斯拉电动汽车）的逆变器的组件之一。未来封装技术的进步，以及持续不断的成本改善，能够让半导体行业设计出可轻松应用于混合动力电动汽车和电动汽车的IGBT模块。

薄晶片TrenchStop IGBT的下一步发展方向可能包括：具备更高电流密度的新的IGBT元胞结构、晶片厚度降至40微米以下、基底原材料的进步和封装的改进等（参见图2）。因此，尽管GaN和SiC JFET将进入高能效电源开关市场，但IGBT作为一种能够针对具体应用进行定制的高效经济的器件，仍将大受欢迎。

图1: IGBT技术的发展

图2：晶片厚度降低，至40微米如图所示，以提供低饱和电压IGBT

文：MARK THOMAS和THOMAS KIMMERG
英飞凌科技股份公司，奥地利菲拉赫
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