兼顧高耐壓與低Vce性能的650V溝槽IGBT受熱捧

三級拓撲逆變器點燃650伏特IGBT需求

從逆變器設(shè)計來看，三級中性點箝位(Three-level Neutral-point-clamped)拓撲正加速普及，并擴散至中低功率電源轉(zhuǎn)換器，以提供更高輸出電壓頻譜效能，藉此縮減濾波器尺寸并降低成本，同時在不產(chǎn)生過多切換損耗之下，增加切換頻率。

在三級NPC拓撲中，因為直流鏈電壓(DC Link Voltage)無法獲得良好平衡，故在此拓撲中需更高的阻斷電壓(Blocking Voltage)，對此，支援650伏特崩潰電壓的IGBT能有效滿足此一設(shè)計需求，市場滲透率正逐漸翻揚。然而，通常較高的崩潰電壓會使Vce(sat)增加，造成逆變器應(yīng)用的效能降低，因此如何使650伏特IGBT的切換及導(dǎo)通損耗，維持與傳統(tǒng)600伏特IGBT方案相同的程度，對晶片商和系統(tǒng)廠而言無疑是至關(guān)重要的努力方向。

IGBT的極間飽和電壓(Vce(sat))及切換效能兩者互為消長，主因係較高的崩潰電壓設(shè)計所增加的Vce(sat)補償值，可能使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的切換損耗，因此在消長曲線中找到最佳設(shè)計平衡點，將是優(yōu)化650伏特IGBT性能的關(guān)鍵。

為滿足前述需求，新型場截止溝槽式(Field Stop Trench)IGBT遂應(yīng)運而生，其具備650伏特崩潰電壓、極低的Vce(sat)及抗短路能力，且效能已通過系統(tǒng)級評估驗證。

場截止溝槽式IGBT兼具高壓、低Vce(sat)效益

場截止溝槽式技術(shù)使用溝槽閘極架構(gòu)，以及因應(yīng)穿透特性的高摻雜n+緩衝層。由于具備前述特性，新型IGBT技術(shù)達成更高Cell密度，讓特定硅面積擁有極低的導(dǎo)通壓降；整體而言，其電流密度可較舊型場截止平面式方案多出一倍以上。

圖1顯示新型75安培(A)、650伏特場截止溝槽式IGBT，以及75安培、600伏特舊型場截止平面式IGBT兩者的Vce(sat)與切換損耗特性比較，前者在25℃、75安培時，可達成1.65伏特Vce(sat)，在相同條件下，后者則為1.9伏特。

圖1 新型650伏特IGBT與舊型600伏特IGBT特性比較

一般而言，較高的IGBT阻斷電壓和較小的尺寸會使Vce(sat)增加，利用場截止溝槽式技術(shù)可在提升崩潰電壓至650伏特的前提下，進一步縮減晶片面積，顯著改善此一狀況;因此，低Vce(sat)是新型場截止溝槽式IGBT的主要優(yōu)點，同時還可減少在每一切換循環(huán)的關(guān)閉(Turn-off)能量損耗。

隨著IGBT的電壓特性有所改進，系統(tǒng)廠將能打造更高轉(zhuǎn)換效率的逆變器，滿足市場需求。值得注意的是，即使硅面積縮減，新型場截止溝槽式IGBT在因熱逸散問題而故障之前，仍可提供5微秒(μs)抗短路時間，舊型IGBT則未支援此功能;此外，場截止溝槽式IGBT具備低關(guān)閉狀態(tài)(Off-state)漏電流，且支援最高接面溫度至175℃。大勝傳統(tǒng)設(shè)計方案　650伏特IGBT效能亮眼

至于新型650伏特場截止溝槽式IGBT與使用類似方案的元件相比，在條件為Tj=25℃、Ic=80安培、Vce=400伏特、Vge=15伏特及Rg=5歐姆(Ω)的切換測試中，650伏特IGBT顯示的關(guān)閉(Switching-off)能量損耗為183微焦耳(μJ)，600伏特IGBT的切換損耗則為231微焦耳。

評估項目還包括共同封裝的二極體(Diode)反向恢復(fù)特性，測試條件為If=40安培、Tj=125℃、Vr=400伏特及di/dt=500安培/微秒，在上述條件下，場截止溝槽式IGBT的Qrr為1.17微庫倫(μC)，遠低于競爭者IGBT的3.98微庫倫。

在橋式拓撲中，較低的Qrr值可減少單腳的IGBT開啟(Switching-on)損耗;切換效能可採用商業(yè)用5.5kW併聯(lián)型太陽能逆變器進行驗證，其具備前端升壓階段和雙極控制全橋式逆變器階段，兩階段的切換頻率皆為19kHz。在初始設(shè)計中，升壓階段維持不變，而是將650伏特IGBT和600伏特IGBT用于全橋式逆變器階段。

圖2顯示逆變器導(dǎo)入兩款I(lǐng)GBT效率測試結(jié)果，650伏特方案的EURO和CEC加權(quán)效率分別為94.37%及95.08%，而600伏特方案則分別為93.67%及94.37%，由于新型場截止溝槽式IGBT具備優(yōu)異的切換效能，因此顯示出更高的效率。

圖2 逆變器導(dǎo)入新舊型IGBT的效率比較

圖3則為新型50安培場截止溝槽式IGBT，以及舊式同級產(chǎn)品的比較，新方案在10安培及20安培