兼顧高耐壓與低Vce（sat）性能的650V場截止溝槽式IGBT受熱捧

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　　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，特別是馬達驅(qū)動器、不斷電系統(tǒng)（UPS）、再生能源系統(tǒng)、焊接機、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)動的UPS或馬達中，當(dāng)啟動時發(fā)生馬達故障、輸出短路或輸入?yún)R流排電壓貫穿（Voltage Shoot Through）等情形時，IGBT將會受到破壞。在這些狀況下，通過IGBT的電流將急速增加直到飽和為止，在進行故障偵測及啟用保護功能之前，IGBT應(yīng)能承受此壓力。

　　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安培狀態(tài)下表現(xiàn)出優(yōu)異的消長狀況，此兩種電流為大多數(shù)應(yīng)用的實際運作電流。

　　圖3 逆變器採用不同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)建兩個低端IGBT以線頻進行切換，兩個高端IGBT以17kHz進行切換，圖4即為其功率損耗估算摘要。為驗證功率損耗估算，可分別採用50安培/650伏特IGBT，以及功率損耗與其類似的3號IGBT做評比。

　　圖4 新型IGBT與其他競爭方案的功率損耗預(yù)估

　　如圖5所示，3kW系統(tǒng)在滿載時，3號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，效率斷層會隨著負載減少而逐漸變大，此狀況亦符合圖3的效率變化，在低電流位準(zhǔn)時，50安培/650伏特IGBT的表現(xiàn)最優(yōu)異。

　　圖5 混頻全橋式逆變器應(yīng)用不同IGBT的效率比較

　　新型650伏特場截止溝槽式IGBT已于近期問世，且效能亦已通過系統(tǒng)廠評估，相較于舊型IGBT，新方案提供更好的DC及交流電（AC）特性，且抗短路時間及漏電流問題均有改善，可支援效率更高且更可靠的轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。