不同 IGBT 架構的高效電機驅動應用

　　在選擇 IGBT 時，設計人員面臨許多架構選擇，這些選擇可能會偏向于一種形式的 IGBT，例如對稱阻斷與非對稱阻斷。本文將回顧不同 IGBT 架構提供的設計選項。

　　與具有類似額定電壓的功率 MOSFET 相比，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是電機驅動應用的常見選擇，因為它具有高阻斷電壓和低成本。該技術允許設計變頻驅動器，這被視為對節能系統有益。

　　IGBT 提供驅動重要逆變器級所需的開關能力。通常，使用 200-240 V AC 電源供電的驅動器需要 600 V 的額定阻斷電壓，而 460 V AC應用則需要 1200 V。

　　IGBT 的結構從 1980 年代的功率 MOSFET 演變而來，以應對增加阻斷電壓的需要。這是通過在 MOSFET 架構的漏極上增加一個額外的 PN 結，創建雙極晶體管結構和整體 NPNP 半導體來實現的。與當今制造的大多數功率晶體管一樣，晶體管的結構是垂直的而不是水平的，PNP 雙極晶體管的集電極位于管芯的背面。包含 N 摻雜阱的 AP 或 P+ tub 連接源極/發射極和柵極區域。電流流過這個槽，進入一個比較寬的 N 摻雜漂移區，進入集電極。但是，由于它具有 MOSFET 的絕緣柵極，因此該器件作為一個整體保持電壓控制而不是電流控制。

　　雖然它通常提供比 MOSFET 更高的電壓隔離，但 IGBT 的架構意味著它不能快速開關，這限制了逆變器中使用的開關頻率，盡管器件結構的最新進展已將有效開關頻率推向 100 kHz。IGBT 的效率通過比 MOSFET 更低的導通電壓降來提高。此外，與同等 MOSET 相比，高電流密度允許使用更小的裸片達到更高的額定功率，從而提高成本效益。

　　早期的 IGBT 設計方法包括對稱結構，也稱為反向阻斷架構。它們具有正向和反向阻斷功能，適合交流應用，例如矩陣（AC-to-AC）轉換器或三電平逆變器。非對稱結構僅保持正向阻斷能力，但往往比對稱結構更廣泛地使用，因為它們通常提供比對稱 IGBT 更低的通態電壓降。不對稱結構適合直流應用，例如變速電機控制。然而，IGBT 電機控制應用往往涉及感性負載并且通常是硬開關，需要將 IGBT 與續流二極管并聯使用，以允許反向電流在這些拓撲中流動。然而，

　　IGBT 的另一個區別在于穿通（PT）和非穿通（NPT）架構。PT 設計主要用于較低的隔離電壓，并使用在 P+ 襯底和集電極區域上生長的 N+ 區域。當器件關閉時，N-漂移會完全耗盡載流子，這種效應會“穿透”到下面的 N+ 層，但不會完全穿過它進入集電極。結果是一個非常薄的 N 區域，可最大限度地降低開啟電壓。額外的 N+ 層還通過減少注入 P+ 襯底的多余空穴的數量來提高開關速度。當設備關閉時，這些載體會很快被移除。

　　不幸的是，高摻雜會引入大量少數載流子，需要在 IGBT 關斷后去除這些載流子，這會增加開關時間，從而降低效率。這是與功率 MOSFET 相比開關頻率較低的主要原因之一。PT IGBT 也可能遭受熱失控。

　　NPT 的開發是為了避免 PT 架構的主要問題并去除 N+ 緩沖層。但是，它們經過精心設計，以避免讓電場一直滲透到收集器。晶體管的制造方式通常與 PT 器件不同。與在 P 摻雜襯底頂部外延形成 N 區不同，NPT 晶體管通常使用 N 摻雜襯底制成，集電極區生長在背面。

　　通過將晶圓減薄至 100 μm 或更小，可以使用非常輕摻雜的集電極區，同時仍能實現低電阻和高性能。使用較輕的摻雜減少了器件在導電時可以存儲在器件中的電荷量，這轉化為更好的開關性能，因為在器件切換時需要殺死的載流子更少。

　　Fairchild Semiconductor的FGP10N60和FGP15N60使用NPT 技術支持一系列電機驅動應用。它們在 150°C 時提供高達 10 μs 的短路電阻，并表現出約 2 V 的飽和電壓。為了支持高開關速度，晶體管的關斷延遲時間剛剛超過 55 ns。

　　大約十年前，國際整流器等制造商轉向了溝槽結構。溝槽架構不僅通過減小柵極和基極區域的有效直徑來實現更高的溝道密度，它還增強了累積層電荷注入并減少了舊平面設計所遭受的寄生 JFET 的影響。對于給定的開關頻率，與傳統的 PT 和 NPT 結構相比，溝槽結構降低了傳導損耗和開關損耗。溝槽 IGBT 現在可從許多供應商處獲得廣泛的額定值。IR 自己的范圍涵蓋了關鍵的600 V 和 1200 V阻斷電壓范圍。

　　典型的器件IRGB4060是一個 1.55 V 晶體管，采用軟恢復反向二極管封裝，提供低至 95 ns 的關斷延遲時間，以支持相對較高的開關頻率。

　　向薄晶圓 NPT 器件添加場終止區可以進一步提高性能。有點類似于 PT 概念，該層阻止電場，允許使用更薄的晶片來獲得相同的高擊穿電壓。通過控制場截止層和 p+ 集電極層的載流子濃度，可以提高背面結的發射極效率。因此，場停止提供了更快的開啟低 V CE（sat）的設備，這可以通過更薄的晶圓實現。

　　場截止技術使得將許多電路中所需的續流二極管與 IGBT 本身集成起來變得更加容易。英飛凌科技的TrenchStop系列器件就是一個例子。該系列的許多成員將二極管作為核心 IGBT 元件的一部分，允許反向電流通過器件。其他公司通過將二極管集成在封裝內來提供針對電機控制等應用優化的二極管技術，例如IKD06N60RF，它支持高達 30 kHz 的電機控制開關速度。