兼顧高耐壓與低Vce（sat）性能的650V場(chǎng)截止溝槽式IGBT受熱捧

　　絕緣閘雙極電晶體（IGBT）是一種少數(shù)載子功率元件，擁有高輸入阻抗和高雙極電流功能，這些特性使其適用于多種電力電子產(chǎn)品，特別是馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、不斷電系統(tǒng)（UPS）、再生能源系統(tǒng)、焊接機(jī)、電磁爐，以及其他須支援高電流和高電壓的逆變器（Inverter）應(yīng)用。

　　此外，抗短路能力也是IGBT適用于各類逆變器的重要特性。在由逆變器驅(qū)動(dòng)的UPS或馬達(dá)中，當(dāng)啟動(dòng)時(shí)發(fā)生馬達(dá)故障、輸出短路或輸入?yún)R流排電壓貫穿（Voltage Shoot Through）等情形時(shí)，IGBT將會(huì)受到破壞。在這些狀況下，通過IGBT的電流將急速增加直到飽和為止，在進(jìn)行故障偵測(cè)及啟用保護(hù)功能之前，IGBT應(yīng)能承受此壓力。

　　三級(jí)拓?fù)淠孀兤鼽c(diǎn)燃650伏特IGBT需求

　　從逆變器設(shè)計(jì)來看，三級(jí)中性點(diǎn)箝位（Three-level Neutral-point-clamped）拓?fù)湔铀倨占埃U(kuò)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(shí)在不產(chǎn)生過多切換損耗之下，增加切換頻率。

　　在三級(jí)NPC拓?fù)渲?，因?yàn)橹绷麈滊妷海?a target="_blank">DC Link Voltage）無法獲得良好平衡，故在此拓?fù)渲行韪叩淖钄嚯妷海˙locking Voltage），對(duì)此，支援650伏特崩潰電壓的IGBT能有效滿足此一設(shè)計(jì)需求，市場(chǎng)滲透率正逐漸翻揚(yáng)。然而，通常較高的崩潰電壓會(huì)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(duì)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(zhǎng)，主因係較高的崩潰電壓設(shè)計(jì)所增加的Vce（sat）補(bǔ)償值，可能使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的切換損耗，因此在消長(zhǎng)曲線中找到最佳設(shè)計(jì)平衡點(diǎn)，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(chǎng)截止溝槽式（Field Stop Trench）IGBT遂應(yīng)運(yùn)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(jí)評(píng)估驗(yàn)證。

　　場(chǎng)截止溝槽式IGBT兼具高壓、低Vce（sat）效益

　　場(chǎng)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(dá)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(chǎng)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(chǎng)截止溝槽式IGBT，以及75安培、600伏特舊型場(chǎng)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(shí)，可達(dá)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(huì)使Vce（sat）增加，利用場(chǎng)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(jìn)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(chǎng)截止溝槽式IGBT的主要優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)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(jìn)，系統(tǒng)廠將能打造更高轉(zhuǎn)換效率的逆變器，滿足市場(chǎng)需求。值得注意的是，即使硅面積縮減，新型場(chǎng)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(shí)間，舊型IGBT則未支援此功能；此外，場(chǎng)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(jì)方案　650伏特IGBT效能亮眼

　　至于新型650伏特場(chǎng)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(cè)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(píng)估項(xiàng)目還包括共同封裝的二極體（Diode）反向恢復(fù)特性，測(cè)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(chǎng)截止溝槽式IGBT的Qrr為1.17微庫(kù)倫（μC），遠(yuǎn)低于競(jìng)爭(zhēng)者IGBT的3.98微庫(kù)倫。

　　在橋式拓?fù)渲?，較低的Qrr值可減少單腳的IGBT開啟（Switching-on）損耗；切換效能可採(cǎi)用商業(yè)用5.5kW併聯(lián)型太陽(yáng)能逆變器進(jìn)行驗(yàn)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(jì)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(cè)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(chǎng)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(chǎng)截止溝槽式IGBT，以及舊式同級(jí)產(chǎn)品的比較，新方案在10安培及20安培狀態(tài)下表現(xiàn)出優(yōu)異的消長(zhǎng)狀況，此兩種電流為大多數(shù)應(yīng)用的實(shí)際運(yùn)作電流。

　　圖3 逆變器採(cǎi)用不同IGBT在10安培、20安培電流情況的效率表現(xiàn)

　　基于前述比較結(jié)果，可進(jìn)一步估算系統(tǒng)中的功率損耗。假定目標(biāo)系統(tǒng)為3kW額定混頻全橋式逆變器，內(nèi)建兩個(gè)低端IGBT以線頻進(jìn)行切換，兩個(gè)高端IGBT以17kHz進(jìn)行切換，圖4即為其功率損耗估算摘要。為驗(yàn)證功率損耗估算，可分別採(cǎi)用50安培/650伏特IGBT，以及功率損耗與其類似的3號(hào)IGBT做評(píng)比。

　　圖4 新型IGBT與其他競(jìng)爭(zhēng)方案的功率損耗預(yù)估

　　如圖5所示，3kW系統(tǒng)在滿載時(shí)，3號(hào)IGBT與50安培/650伏特IGBT的功耗相當(dāng)接近，此狀況完全符合估算，此外，效率斷層會(huì)隨著負(fù)載減少而逐漸變大，此狀況亦符合圖3的效率變化，在低電流位準(zhǔn)時(shí)，50安培/650伏特IGBT的表現(xiàn)最優(yōu)異。