利用安森美半導(dǎo)體IGBT實現(xiàn)高能效的高性能開關(guān)應(yīng)用

今天，不論是用在工業(yè)領(lǐng)域還是民用產(chǎn)品的開關(guān)應(yīng)用，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）都可以提供有效的解決方案，以實現(xiàn)最終產(chǎn)品的高能效和高性能。在節(jié)能至上的市場上，電子設(shè)計人員首選可以實現(xiàn)高能效的器件，而且要針對不同應(yīng)用選擇合適的IGBT。推動高能效創(chuàng)新的安森美半導(dǎo)體提供豐富的分立式IGBT方案，廣泛用于電磁爐、不間斷電源(UPS )、太陽能逆變器和逆變電焊機等領(lǐng)域。

IGBT技術(shù)概述

IGBT有強耐能量沖擊能力和強耐短路電流能力 (5至10微秒)?，F(xiàn)有IGBT包括溝道非穿通型 (NPT)、溝道場截止型 (FS) 第一代和溝道場截止型第二代IGBT等類型。隨著制造工藝的進(jìn)步，開始采用50微米晶圓及金屬背板，超薄晶圓及其背面處理工藝減少了IGBT的導(dǎo)通和開關(guān)損耗。

對比溝道非穿通型和溝道場截止型IGBT可以發(fā)現(xiàn)，前者的電場強度在硅漂移區(qū) (n-FZ)線性遞減到0，硅漂移區(qū)厚度與耐壓成線性正比，因此具有高導(dǎo)通壓降和高關(guān)斷損耗；后者用N緩沖層減少了硅漂移區(qū)的厚度，實現(xiàn)了超薄晶圓，從而實現(xiàn)了低導(dǎo)通壓降和低關(guān)斷損耗 (圖1)。

圖1：溝道非穿通型和溝道場截止型IGBT對比

從技術(shù)趨勢看，6至8英寸晶圓的厚度在不斷縮減，從最初的250 μm到目前生產(chǎn)的100 μm和75 μm，還有50 μm和40 μm厚度正在研發(fā)當(dāng)中。可以預(yù)期，今后IGBT的性能仍有望提高。

安森美半導(dǎo)體IGBT產(chǎn)品及應(yīng)用市場

安森美半導(dǎo)體提供完善的IGBT產(chǎn)品系列，可以根據(jù)頻率、應(yīng)用和電壓進(jìn)行分類 (表1)，不同產(chǎn)品有不同的特性和應(yīng)用范圍。

表1：安森美半導(dǎo)體IGBT產(chǎn)品系列

安森美半導(dǎo)體的29款場截止第一代IGBT中600伏 IGBT 性能接近或超過市場領(lǐng)先產(chǎn)品；新發(fā)布的8款1200伏/1350伏用于電磁感應(yīng)加熱的場截止型第二代IGBT，其性能領(lǐng)先于市場同類產(chǎn)品；還有新發(fā)布的3款1200伏場截止型第二代通用IGBT，性能與市場同類產(chǎn)品相媲美。

在工業(yè)應(yīng)用方面，分立式IGBT的市場應(yīng)用主要包括電機驅(qū)動、逆變式電焊機、變頻驅(qū)動、功率因數(shù)校正，安森美半導(dǎo)體提供的主要產(chǎn)品有1200 V/ 15 A-40 A及600 V/ 30 A-50 A；用于不間斷電源、太陽能逆變器、高效功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的主要產(chǎn)品是600 V/30 A-50 A及1200 V/15 A-40 A；而用于家用電器，如電火鍋和電飯鍋、廚用電爐、空調(diào)機功率因數(shù)校正的主要產(chǎn)品有1200V/15A-40A、600V/30A-40A和600V/30A-50A。

安森美半導(dǎo)體同時提供相應(yīng)的技術(shù)支持，如2千瓦電機驅(qū)動測試系統(tǒng)、2千瓦電磁爐測試系統(tǒng)、3千瓦功率因數(shù)校正測試板、10千瓦中點鉗位轉(zhuǎn)換器，以及用于測試IGBT模塊的100千瓦太陽能逆變器，350安培逆變式電焊機正在開發(fā)中。

安森美半導(dǎo)體IGBT產(chǎn)品應(yīng)用示例

1) 電磁感應(yīng)加熱

安森美半導(dǎo)體的IGBT采用溝道場截止工藝，以合理的價格提供可靠性和優(yōu)良的開關(guān)性能。其600伏30安培和40安培場截止型第一代IGBT導(dǎo)通電壓低、開關(guān)損耗小，專門為半橋諧振式電磁感應(yīng)加熱設(shè)備設(shè)計，產(chǎn)品包括NGTB40N60IHLWG和NGTB30N60IHLWG；其1200伏15安培到40安培場截止型第一代IGBT導(dǎo)通電壓低、開關(guān)損耗小，專門為單端諧振式電磁感應(yīng)加熱設(shè)備設(shè)計，產(chǎn)品包括NGTB15N120IHLWG、NGTB20N120IHLWG、NGTB25N120IHLWG、NGTB30N120IHLWG、NGTB40N120IHLWG、NGTB20N120IHSWG和NGTB30N120IHSWG。兩者均可降低并聯(lián)續(xù)流二極管的正向?qū)妷?。而近期推出的用于電磁感?yīng)加熱的15安培到40安培的1200伏和1350伏第二代場截止型IGBT系列可提供更低的開關(guān)損耗，工作可靠，適用于各類諧振和軟開關(guān)應(yīng)用，典型產(chǎn)品包括NGTB30N120IHR、NGTB30N135IHR、NGTB40N120IHR和NGTB40N135IHR等。這些器件的優(yōu)點是提升系統(tǒng)開關(guān)效率低功率損耗和節(jié)省線路板空間。安森美半導(dǎo)體為此開發(fā)了用于IGBT測試的2千瓦單端諧振電磁爐測試平臺。

圖2：600伏和1200伏電磁感應(yīng)加熱電路

?2) 電機驅(qū)動

安森美半導(dǎo)體的通用型600伏非穿通型IGBT包括15到50安培的一系列型號(包括NGTB15N60EG、NGTB30N60FWG和NGTB50N60FWB等)，以及通用型1200伏IGBT包括15到40安培的一系列型號 (采用第一代場截止工藝，包括NGTB15N120LWG、NGTB20N120LWG、NGTB25N120LWG、NGTB30N120WG和NGTB40N120LWG)，可降低并聯(lián)續(xù)流二極管的正向?qū)妷?，具有?dǎo)通電壓低、開關(guān)損耗小、提升系統(tǒng)效率、節(jié)省線路板空間等優(yōu)點，廣泛用于包括電機驅(qū)動、各種逆變器、變頻驅(qū)動、泵、空氣交換機等工業(yè)領(lǐng)域的硬開關(guān)電路。安森美半導(dǎo)體開發(fā)了用于IGBT測試三相全橋2千瓦電機驅(qū)動系統(tǒng)測試平臺。

圖3：電機驅(qū)動系統(tǒng)測試平臺

?3) 功率因數(shù)校正

安森美半導(dǎo)體的600伏專用于功率因數(shù)校正和升壓的600伏IGBT采用第一代場截止工藝，可以低廉價格實現(xiàn)可靠工作、低導(dǎo)通電壓和低開關(guān)損耗，提升系統(tǒng)開關(guān)效率，節(jié)省線路板空間，包括NGTG50N60FWG和NGTG30N60FWG等?；谶@類應(yīng)用的特殊性，這類IGBT不含并聯(lián)續(xù)流二極管，適用于太陽能逆變器升壓轉(zhuǎn)換器、空調(diào)機空濾引述校正和不間斷電源功率因數(shù)校正等低頻硬開關(guān)或是高頻軟開關(guān)電路。安森美半導(dǎo)體開發(fā)的單相3千瓦功率因數(shù)校正系統(tǒng)可用于IGBT的測試。

圖4：功率因數(shù)校正測試曲線

?4) 逆變式電焊機

安森美半導(dǎo)體還提供一系列可用于逆變式電焊機的600伏和1200伏從15到50安培IGBT(包括NGTB50N120FL2和NGTB50N60FLWG等)，采用場截止第一代工藝和場截止第二代工藝，這些IGBT有較低的導(dǎo)通壓降和開關(guān)損耗，可降低并聯(lián)續(xù)流二極管正向?qū)▔?，提升系統(tǒng)開關(guān)效率，低功率損耗，節(jié)省線路板空間，適用于全橋式逆變電焊機、半橋式逆變電焊機、電焊機功率因數(shù)校正、高頻電焊機、激光切割機等高速開關(guān)應(yīng)用。

圖5：逆變式電焊機測試設(shè)備

?5) 不間斷電源和太陽能逆變器

安森美半導(dǎo)體用于不間斷電源和太陽能逆變器 (包括中點鉗位式逆變器) 的1200伏和600伏IGBT(包括NGTB50N120FL2和NGTB50N60FLWG等)采用場截止第一代和場截止第二代工藝，價格低廉，工作可靠，導(dǎo)通電壓低，開關(guān)損耗小，并聯(lián)的高速續(xù)流二極管正向?qū)妷旱?。這些器件適用于電池充電器、不間斷電源、功率因數(shù)校正、全橋和半橋式太陽能逆變器/變換器、中點鉗位式逆變器、升壓變換器半/全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。安森美半導(dǎo)體提供不同功率的逆變器用來測試分立式IGBT和IGBT模塊。

圖6：中點鉗位式逆變器

安森美半導(dǎo)體的客戶已成功使用其場截止型第一代IGBTNGTB50N60FLWG開發(fā)出了各種應(yīng)用，如功率10 千伏安、功率因數(shù)0.9的不間斷電源，以及采用半橋諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的1450瓦廚用電爐?？蛻粽J(rèn)為，安森美半導(dǎo)體場截止型第一代IGBT的性能達(dá)到了市場上最好的性能；其IGBT在電磁爐上的溫升低于其它2款I(lǐng)GBT。

未來，安森美半導(dǎo)體將推出超過20款第四代 (場截止型第二代) IGBT以及專用于逆變式電焊機IGBT，并繼續(xù)開發(fā)IGBT模塊。無論客戶的產(chǎn)品需求如何，安森美半導(dǎo)體總有一款高性能、高能效的IGBT方案能夠滿足要求，幫助設(shè)計工程師設(shè)計出高能效及高性能的產(chǎn)品。