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得益于沟槽终止型IGBT技术发展，IGBT器件已经具有非常高的性能，然而高性能往往伴随着一些挑战，这些挑战与器件的刚性行为有关。来自罗姆半导体的全新第3代IGBT提供了性能和易用性之间的最佳折衷方案，在简化PCB设计和电磁干扰（EMI）滤波设计的同时具有较高系统效率。
作者：Masaharu Nakanishi 及 Vladimir Scarpa, 罗姆半导体
罗姆半导体于2009年开始生产IGBT器件，并在其第2代IGBT产品中引入了轻穿通型（LPT：Light Punch Through）结构，如图1所示。LPT结构为IGBT带来了饱和电压VCE(sat) 降低和开关速度加快等诸多好处，这是由于其漂移层中的载流子浓度梯度低于使用外延层的传统穿通型IGBT，这样一来，电子电流密度 （多数载流子）在增加，而空穴密度（少数载流子）减少。
在第3代IGBT中，除了采用LPT结构之外，还实现了单元结构的明显缩小，从而减少了器件的寄生电容，优化了动态特性并减少了驱动器所需能量。最后，实现了晶圆厚度相对于前一代减小15％，这不仅减少了器件导通状态下的损耗，而且还降低了动态损耗，因为其在关断过程中必须提取载流子更少了。
图1：罗姆半导体穿通型IGBT技术演化
650V IGBT RGTV和RGW产品系列 罗姆第3代IGBT的完整产品系列如表1所示，其器件命名规则如图2所示，与其他IGBT厂商的命名方式的主要区别是，罗姆IGBT型号的前部分为TC=100 °C时额定电流的两倍。对于当前所有类别中有两种芯片配置方式，即IGBT芯片单独封装或与快速恢复二极管（FRD）共同封装。在RGTV系列中，FRD与IGBT具有相同的额定电流。RGW系列中的FRD的额定电流比IGBT的低，其FRD的额定电流如表1中的括号内所示。
第3代IGBT产品分为两个不同的系列：
这些器件的额定电流在TC=100 °C的情况下从30 A到80 A，并采用TO-247N（非隔离型）和TO-3PFM（隔离型）等封装中，具体如表1所示
650V IGBT RGTV系列： 
650V IGBT RGW系列： 
图2：罗姆IGBT产品命名规则
650V IGBT RGTV和RGW产品定位： 罗姆半导体提供多个IGBT系列，且每个系列均可根据特定的应用要求进行量身定制短路耐量（SCWT）、饱和压降VCE(sat)和动态损耗等。图3根据额定SCWT（x轴）和工作开关频率（y轴）展示了罗姆IGBT产品系列及其应用领域。 如图3所示，全新的第3代IGBT产品主要针对单相电源、光伏逆变器、不间断电源（UPS）、电池充电器和焊接机等高效工业应用。在这些应用中，仅需要非常短的短路耐量甚至对此不做要求，但要求IGBT性能最大化，这恰好是罗姆第3代IGBT器件所能够提供的。
图3：罗姆半导体IGBT产品系列及其应用领域
650V IGBT RGTV和RGW器件性能： 罗姆第3代IGBT的结构使其VCE(sat)和关断损耗之间具有更好的折衷特征，可以优化这些参数并且由此获得具有更低静态/动态损耗的器件。
图4给出了第2代IGBT RGTH系列和第3代IGBT RGTV系列相同额定电流的产品之间的对比。两个器件的VCE(sat)被绘制为集电极电流、室温以及最高结温的函数，如左图所示。相对第2代产品，全新器件的VCE(sat)在Tj=25 °C时降低了0.1 V（6％），在Tj= 175 °C时降低了0.25 V（12％）。
图4：罗姆第2代IGBT与第3代IGBT的动静态特性对比
图4中的右图给出了在相同的条件下两个器件的关断测试波形，可以看出第3代IGBT在结构优化后带来的改善。RGTV60TS65D在关断过程中的集电极电流迅速降低至零，拖尾电流很小，其Eoff相对RGTH60TS65D的降低了10％。
RGW系列为快速IGBT器件，图5中的波形可以说明这一点，其在相同条件下对比额定电流同为50A的RGTV系列RGTV00TS65D与RGW系列 [color=#2655a5 !important]RGW00TS65D的关断特性，可以看出RGTV00TS65D的关断时间更长，而RGW00TS65D的Eoff相对降低了25％。
图5：额定电流 50A的RGTV系列与RGW系列IGBT的关断特性对比
与IGBT技术改进相同，与第3代IGBT芯片同时封装的快速恢复二极管（FRD）技术也得到了改进。全新的第6代FRD技术具有更薄的晶圆厚度并采用了场终止结构，这使其具有更低的正向电压(VF)和更小的反向恢复电荷（QRR），这些均是逆变应用中的重要参数，能够降低二极管本身及其对应IGBT的损耗。与此同时，第6代FRD芯片在关断中也具有非常平滑的响应，保证了快速而软的开关换向，避免了FRD与IGBT中的振荡。图6给出了罗姆最新的第6代FRD、竞争对手A及竞争对手B相关型号的关断波形对比，可以看出第6代FRD的电流和电压几乎没有振荡，同时其也是QRR随温度升高最小的被测器件。
图6：第6代FRD结构（左）及额定电流30 A的FRD间的关断特性对比（Tj= 25 °C和Tj= 125 °C）
650V IGBT RGTV和RGW逆变应用的优势： 光伏逆变器和UPS等系统中至少包含一个将直流电转换为交流电的逆变电路，其中光伏逆变器所产生的交流电量将被注入电网侧，而UPS则将交流电量供给交流负载。通常在单相系统中采用的是半桥（HB）和全桥（FB）等拓扑结构，而在三相系统中主要采用三电平中性点钳位（NPC）拓扑。这些拓扑结构都广泛采用IGBT分立器件和模块以用于导通及关断时的硬开关，因此同时封装的反并联二极管的性能起着重要的作用。如前所述，与IGBT芯片同时封装的第6代FRD具有更低的正向电压和更小的反向恢复电荷。
采用单相全桥逆变电路对第3代IGBT在硬开关运行中的性能进行评估，图7中左图为电路示意图，而右侧表格包含了主要电气参数。
图7：测试电路示意图（左）及主要电气参数（右）
采用第2代IGBT（RGTH80TS65D）与第3代IGBT（[color=#2655a5 !important]RGW80TS65D）应用于图7中电路进行对比。同时竞争对手C在市场上的标杆器件也被用于测试对比。选择合适的栅极电阻Rg(off)以避免在关断期间产生过大的电压尖峰（VDS）。逆变电路环路电感非常低，约为50 nH，因此可以选择较小的栅极电阻。对于RGTH80TS65D和RGW80TS65D而言，Rg(off)=5 Ω时关断期间的最大电压尖峰为520 V，比击穿电压低20％。竞争对手C相关型号产品需要将Rg(off)增加到10 Ω，以达到20％的电压余量。此外，这3个器件的导通栅极电阻Rg(on)均为 5 Ω。
利用上面定义的栅极电阻，可以在不同的负载条件下测量逆变器的效率，并将这些测试值绘制在图8中，它们包括IGBT的损耗以及输出滤波器、电缆和连接器中的损耗。
在图8中可以明显看到第3代产品相对于第2代产品的改进，在小功率条件时效率相对提高了1.4％，而中高功率条件下的改善为0.4％。竞争对手C相关型号和RGW80TS65D（第3代）之间的差别在于测量精度，因此可以忽略。
图8：额定电流同为40A的罗姆第2代产品、第3代产品与竞争对手C相关型号间的效率对比
650V IGBT RGTV和RGW关断特性： 除了上述性能外，IGBT的另一个重要特性是关断时的VCE特性，该特性与VCE产生的振荡有关，最终反映到栅极电压上。
图9显示了RGW80TS65D（左侧）和竞争对手C另一个型号（右侧）之间的比较，这款是前面提到竞争对手C相关型号的高速版本，在这里被标记为竞品B。测试波形是在在便携式焊机的测试中获得，该电路具有相当高的环路杂散电感（高于100 nH）。[2]
竞品B在Rg(off) =10 Ω的条件下测试波形如图9的右上角所示，其与RGW80TS65D（左）的波形相比，其高达244 V的VCE过冲为RGW80TS65D的120 V的两倍，而且在第一个峰值之后还有一系列的振荡。而在RGW80TS65D的VCE波形只有一个过冲，之后VCE平稳地达到直流母线电压。因此，可以预计RGW80TS65D的EMI要低得多。另外，集电极和栅极之间的反馈电容导致的VCE振荡也将反映在VGE中，从而产生远高于IGBT阈值电压的正峰值，并带来寄生导通和腿部直通的风险，从而导致整个机器的损坏。 
图9：IGBT在可携带式电焊机上的测试波形对比（VCE (黄)、VGE (蓝)）
可以通过增加关断电阻来减少IGBT中的振荡，采用Rg(off) =33 Ω的竞品B的测试波形如图9右下角所示，可以看出振荡相对图9右上角的波形小很多，然而即使其峰值减小了，但是VCE中的振荡依旧没有太多改善。此时，竞品B的振荡比RGW80TS65D在 Rg(off) =10 Ω时的时间更长， 另外其VGE的峰值仍高于IGBT阈值电压。
来自罗姆半导体的第3代IGBT具有显著的技术改进，RGTV和RGW等两种版本均采用标准TO-247N封装，并能提供额定电流值高达50 A（RGW）和80 A（RGTV）的IGBT器件，其性能满足单相电源、电焊机、光伏逆变器、UPS和电池充电器等诸多工业应用的要求。
罗姆第3代IGBT器件在逆变器的实验测试证明了其与市场标杆产品的性能相当。与市场上其他高速IGBT不同，罗姆第3代IGBT产品具有软关断和无振荡关断等功能，即使采用较小的外部栅极电阻，也能保证安全运行，结合共同封装的罗姆全新第6代快速恢复二极管，其在性能、设计简单性和滤波效果之间提供了最佳折中方案。
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发表于 2019-4-2 12:47:45
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