兼顾高耐压与低Vce性能的650V沟槽IGBT受热捧

三级拓扑逆变器点燃650伏特IGBT需求

从逆变器设计来看，三级中性点箝位(Three-level Neutral-point-clamped)拓扑正加速普及，并扩散至中低功率电源转换器，以提供更高输出电压频谱效能，藉此缩减滤波器尺寸并降低成本，同时在不产生过多切换损耗之下，增加切换频率。

在三级NPC拓扑中，因为直流链电压(DC Link Voltage)无法获得良好平衡，故在此拓扑中需更高的阻断电压(Blocking Voltage)，对此，支援650伏特崩溃电压的IGBT能有效满足此一设计需求，市场渗透率正逐渐翻扬。然而，通常较高的崩溃电压会使Vce(sat)增加，造成逆变器应用的效能降低，因此如何使650伏特IGBT的切换及导通损耗，维持与传统600伏特IGBT方案相同的程度，对晶片商和系统厂而言无疑是至关重要的努力方向。

IGBT的极间饱和电压(Vce(sat))及切换效能两者互为消长，主因係较高的崩溃电压设计所增加的Vce(sat)补偿值，可能使系统产生较大的切换损耗，因此在消长曲线中找到最佳设计平衡点，将是优化650伏特IGBT性能的关键。

为满足前述需求，新型场截止沟槽式(Field Stop Trench)IGBT遂应运而生，其具备650伏特崩溃电压、极低的Vce(sat)及抗短路能力，且效能已通过系统级评估验证。

场截止沟槽式IGBT兼具高压、低Vce(sat)效益

场截止沟槽式技术使用沟槽闸极架构，以及因应穿透特性的高掺杂n+缓衝层。由于具备前述特性，新型IGBT技术达成更高Cell密度，让特定硅面积拥有极低的导通压降；整体而言，其电流密度可较旧型场截止平面式方案多出一倍以上。

图1显示新型75安培(A)、650伏特场截止沟槽式IGBT，以及75安培、600伏特旧型场截止平面式IGBT两者的Vce(sat)与切换损耗特性比较，前者在25℃、75安培时，可达成1.65伏特Vce(sat)，在相同条件下，后者则为1.9伏特。

图1 新型650伏特IGBT与旧型600伏特IGBT特性比较

一般而言，较高的IGBT阻断电压和较小的尺寸会使Vce(sat)增加，利用场截止沟槽式技术可在提升崩溃电压至650伏特的前提下，进一步缩减晶片面积，显着改善此一状况;因此，低Vce(sat)是新型场截止沟槽式IGBT的主要优点，同时还可减少在每一切换循环的关闭(Turn-off)能量损耗。

随着IGBT的电压特性有所改进，系统厂将能打造更高转换效率的逆变器，满足市场需求。值得注意的是，即使硅面积缩减，新型场截止沟槽式IGBT在因热逸散问题而故障之前，仍可提供5微秒(μs)抗短路时间，旧型IGBT则未支援此功能;此外，场截止沟槽式IGBT具备低关闭状态(Off-state)漏电流，且支援最高接面温度至175℃。大胜传统设计方案　650伏特IGBT效能亮眼

至于新型650伏特场截止沟槽式IGBT与使用类似方案的元件相比，在条件为Tj=25℃、Ic=80安培、Vce=400伏特、Vge=15伏特及Rg=5欧姆(Ω)的切换测试中，650伏特IGBT显示的关闭(Switching-off)能量损耗为183微焦耳(μJ)，600伏特IGBT的切换损耗则为231微焦耳。

评估项目还包括共同封装的二极体(Diode)反向恢復特性，测试条件为If=40安培、Tj=125℃、Vr=400伏特及di/dt=500安培/微秒，在上述条件下，场截止沟槽式IGBT的Qrr为1.17微库伦(μC)，远低于竞争者IGBT的3.98微库伦。

在桥式拓扑中，较低的Qrr值可减少单脚的IGBT开启(Switching-on)损耗;切换效能可採用商业用5.5kW併联型太阳能逆变器进行验证，其具备前端升压阶段和双极控制全桥式逆变器阶段，两阶段的切换频率皆为19kHz。在初始设计中，升压阶段维持不变，而是将650伏特IGBT和600伏特IGBT用于全桥式逆变器阶段。

图2显示逆变器导入两款IGBT效率测试结果，650伏特方案的EURO和CEC加权效率分别为94.37%及95.08%，而600伏特方案则分别为93.67%及94.37%，由于新型场截止沟槽式IGBT具备优异的切换效能，因此显示出更高的效率。

图2 逆变器导入新旧型IGBT的效率比较

图3则为新型50安培场截止沟槽式IGBT，以及旧式同级产品的比较，新方案在10安培及20安培状态下表现出优异的消长状况，此两种电流为大多数应用的实际运作电流。

图3 逆变器採用不同IGBT在10安培、20安培电流情况的效率表现

基于前述比较结果，可进一步估算系统中的功率损耗。假定目标系统为3kW额定混频全桥式逆变器，内建两个低端IGBT以线频进行切换，两个高端IGBT以17kHz进行切换，图4即为其功率损耗估算摘要。为验证功率损耗估算，可分别採用50安培/650伏特IGBT，以及功率损耗与其类似的3号IGBT做评比。

图4 新型IGBT与其他竞争方案的功率损耗预估

如图5所示，3kW系统在满载时，3号IGBT与50安培/650伏特IGBT的功耗相当接近，此状况完全符合估算，此外，效率断层会随着负载减少而逐渐变大，此状况亦符合图3的效率变化，在低电流位準时，50安培/650伏特IGBT的表现最优异。

图5 混频全桥式逆变器应用不同IGBT的效率比较

新型650伏特场截止沟槽式IGBT已于近期问世，且效能亦已通过系统厂评估，相较于旧型IGBT，新方案提供更好的DC及交流电(AC)特性，且抗短路时间及漏电流问题均有改善，可支援效率更高且更可靠的转换器系统。