- 逆向?qū)ㄐ虸GBT將二極管和IGBT集成在同一個晶片里
- 節(jié)省空間，價格低
- 175度的結(jié)溫，EMI效果良好
- 洗衣機、洗碗器、吸塵器、空調(diào)、冰箱的壓縮機、伺服驅(qū)動、風扇
由于現(xiàn)在經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源的消耗也是急劇增加，我們?nèi)绾稳p少能源的損耗做到節(jié)能減排？這就要求我們的產(chǎn)品有一個更高的效率，更低的成本。而對于一個高性能的系統(tǒng)來說，半導(dǎo)體器件的選擇尤為重要。今天我給大家介紹的就是英飛凌一個新的逆向?qū)ㄐ虸GBT。我們知道傳統(tǒng)的IGBT，二極管和IGBT是分開的兩個晶圓，而這一款新的逆向?qū)ㄐ虸GBT是將二極管和IGBT集成在同一個晶圓上面，它們有相同的電流等級。新的逆向?qū)ㄐ虸GBT引用了哪些技術(shù)呢？首先的話，它引入了場終止技術(shù)，也就是它大大的減小了晶圓的厚度，使它有一個非常低的飽和導(dǎo)通壓降，從而提高了整體的效率。第二點是引入了一個溝道柵技術(shù)，進一步減少了飽和導(dǎo)通壓降，因為飽和導(dǎo)通壓降是由載流子的濃度來決定，而引入溝道柵相當于為載流子引入了一個通道，使它的飽和導(dǎo)通壓將進一步減小，從而減小導(dǎo)通損耗。第三是引用了一個逆向?qū)ㄐ投O管，將這個二極管集成在IGBT里面可以大大減少它的體積。
目前這種逆向?qū)ㄐ虸GBT有兩種封裝形勢，一種是IPAK封裝，另外是DPAK封裝，電流有4安、6安、10安和15安四個等級。它主要的特點就是有非常低的價格，還有節(jié)省空間。半導(dǎo)體器件它的成本主要取決于兩個方面，一個是它的晶圓，減少晶圓的數(shù)量，從兩個晶圓減少到一個晶圓可以減少成本。另外的話，這種T0220的封裝還有這種D2PARK封裝可以減少成IPARK封裝和DPARK封裝，同時減少封裝的成本，減少了封裝的話同樣會減少它的空間，但是減少了晶圓的話會不會對它的性能造成影響？首先我們來看一下，同樣它有一個非常低的飽和導(dǎo)通壓降，對它的性能絲毫沒有任何影響。另外可以通過改變門級驅(qū)動電阻，在寬范圍調(diào)節(jié)它的開通和關(guān)斷的時間，有一個非常好的EMI效果，非常平滑的開關(guān)波形，5us的短路保護能力，最高結(jié)溫可以達到175度。這個是這種逆向?qū)ㄐ虸GBT的主要參數(shù)，這個是它的擊穿電壓，這個是它的電流，這是175度飽和導(dǎo)通壓降，這是開關(guān)的能力，這是短路保護的能力，這是它的門級驅(qū)動電壓，基本上對于一個200W的產(chǎn)品可以選擇4安的IGBT，600W的話可以選擇一個6安的，1000W可以選擇一個10安的，1500W的可以選擇15W的產(chǎn)品。
從功率密度來說如果選用這種小封裝的IPARK產(chǎn)品去取代TO220封裝的話，面積可以減少75%，高度可以減少49%。而用這種DPARK封裝產(chǎn)品的話，如果去取代D2PARK這種產(chǎn)品，它的面積可以減少63%，高度同樣可以減少到49%。
這是一個實際的PCP板上的IGBT的圖，我們看到如果用D2PARK的話，它兩顆的面積大概在2.5厘米，而如果使用DPARK封裝的話可以減少到1.5厘米左右，同時它跟IGBT模塊來相比的話可以節(jié)省0.5個美金的成本，所以對于一些消費類市場低成本的產(chǎn)品這個相當重要的。
總結(jié)一下IGBT的重要特點，一個是成本，因為它采用的是一個晶圓，所以它的成本有很大的優(yōu)勢；另外因為減少了它的封裝，可以給PCB留下更多的空間，進一步提高產(chǎn)品的功率密度。同時它也有一個非常好的性能，非常低的飽和導(dǎo)通壓降，一個非常軟的開關(guān)特性對EMI非常有幫助，它還有一個很好的溫度特性，最高溫度可以達到175度。藍色曲線是逆向?qū)ㄐ虸GBT和目前TO220封裝的飽和導(dǎo)通壓降的比較。這是用一個6安的產(chǎn)品在做比較，當這個電流在6安的時候可以看到飽和導(dǎo)通壓降非常的低。
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衡量一個IGBT的好壞有兩個非常重要的指標，一個就是它的飽和導(dǎo)通壓降，就是Vce(sat)，另外一個就是開關(guān)損耗，也就是Eoff。對于低頻的應(yīng)用來說，飽和導(dǎo)通壓降是占有絕對支配地位的，所以選擇這種RC-Drives的IGBT會是一個非常好的選擇，因為可以看到這種RC-Drives IGBT的飽和導(dǎo)通壓降是遠遠低于市面上的一些產(chǎn)品。這個是在一個無刷電機上面的損耗的分析。
這個是25度損耗的時候，這個是175度損耗的時候，可以看到藍色的這根線，基本上它的損耗跟這個TO220封裝產(chǎn)品相差并不是很大。這個是在基于剛才基礎(chǔ)上做的一個損耗分析，首先頻率在4K赫茲的時候可以看到，這個淺藍色的就是二極管的開關(guān)損耗，這個是二極管的導(dǎo)通損耗，這個是IGBT的開關(guān)損耗，這個是IGBT的導(dǎo)通損耗?？梢钥吹皆?K的情況下導(dǎo)通損耗這一部分和這一部分是占了絕對支配地位的。所以對于一個低頻應(yīng)用來說減少它的飽和導(dǎo)通壓降對于IGBT是相當?shù)闹匾斔念l率升高的時候，它的開關(guān)損耗就會稍微升高一點。
EMI也是大家非常頭痛的一個問題，也是非常關(guān)心的一個問題。逆向?qū)ㄐ虸GBT同時優(yōu)化了它的EMI的性能，它有一個非常好的開關(guān)，非常平滑的一個開關(guān)特性，不會有一個很大的振動，干擾。所以我們可以看到它的關(guān)斷和開通的時候dV/dt的現(xiàn)象，基本上在關(guān)斷的時候dV/dt基本上控制在一個10V/us的情況，而在開通的時候基本上也可以控制在—10V/us。
再加上不同的驅(qū)動電阻，這個時候我們也對dV/dt進行了一個測試，然后可以看到基本上我們的dV/dt都比我們的競爭對手或者市面上的產(chǎn)品會優(yōu)異很多。因為減少IGBT的dV/dt的話可以減少前級的EMI濾波器的要求，同樣也可以減少成本，所以這個產(chǎn)品不僅在本身的價格上面有優(yōu)勢，同樣也可以整體的減少系統(tǒng)的成本。
下面就是為了驗證這種逆向?qū)ㄐ虸GBT在實際應(yīng)用當中的一個表現(xiàn)，我們在一個洗衣機上面驗證了6安的IPARK的產(chǎn)品，在一個風機上面我們驗證了6安的DPARK的產(chǎn)品。這是一個實際的洗衣機的控制板，這種方式就是采用了夾子，然后把這個IGBT夾在散熱器上面。稍候我們會用這種IPARK的封裝對這種TO220的封裝做一些替代，然后比較一下他們的不同。就是說我們把其中的一路替代成IPARK產(chǎn)品，然后做一個效率還有溫度的檢測，通過這種熱電偶的方式來檢測它的表面溫度，來檢測它的結(jié)溫。因為它外面有一個夾子，我們沒有辦法用紅外相機來檢測它的溫度，所以我們采用了這種熱電偶的方式。這個是洗衣機的工作流程，首先的話是抽水，這個是洗滌，這個是漂洗，這個是甩干，整個20分鐘的流程當中它的溫度的表現(xiàn)，基本上它的最高溫度沒有超過90度，我們可以看到這個綠色和紅色有一點稍微小小的區(qū)別，這是因為它的散熱不一樣，IGBT的位置放在不一樣，所以會有一點不一樣，這個不用太過擔心。
同時跟這種TO220的封裝的IGBT也做了一個溫度的比較，我們會發(fā)現(xiàn)TO220封裝的IGBT溫度會比逆向?qū)ㄐ虸GBT會低10度到15度，但是這個對于IGBT沒有任何影響。為什么呢？因為通常這種TO220的封裝的IGBT最高結(jié)溫是150度，而逆向?qū)ㄐ虸GBT是175度，所以它實際能力還是比這個要高，這是這種逆向?qū)ㄐ虸GBT的優(yōu)勢。為了進一步來確認一下這個溫度的應(yīng)力，然后我們把這個測試放在一個密閉的環(huán)境當中再來看它的表現(xiàn)，就是說我們來開動洗衣機使它的環(huán)境溫度平衡在40度這個環(huán)境上，就是從25度上升到40度，然后再來檢測IGBT的溫度，我們?nèi)匀豢梢园l(fā)現(xiàn)基本上它的最高溫度仍然沒有超過90度，所以對于一個結(jié)溫在175度的情況下，它有一個相當大的裕量。
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下面我們來總結(jié)一下這種IPARK封裝的IGBT在洗衣機當中的應(yīng)用?；疚覀冞@種IPARK的IGBT是可以完全取代TO220的這種IGBT。雖然它的溫度有比這種TO220的封裝要高上10到15度，但是它的最高結(jié)溫會比這種TO220的封裝會高25度，所以還是存在一個非常好的優(yōu)勢。另外就是它有一個非常平衡的溫度特性，即使它的環(huán)境溫度升高的情況下它的結(jié)溫上升的幅度不會很明顯。下面我們會在一個風機上面來應(yīng)證明DPARK封裝的逆向?qū)ㄐ虸GBT，然后我們采用一個6安的逆向?qū)ㄐ虸GBT，然后用一個Driver IC和一個MCU來做一個測試。這個是我們的實驗設(shè)備，這個是紅外相機檢測它的溫度。在一個200w的風機上面我們可以得到它的最高溫度始終不會超過75度，所以這是一個非常好的結(jié)果。
下面跟大家介紹一下這兩種IGBT跟散熱器鉚接的方式，這是一個商業(yè)冰箱的壓縮機控制板，這是我們的DEMO板，我們怎么可以使這種DPARK封裝的IGBT有一個很好的散熱？我們有一個推薦的方式，當然大家可能有不同的方式，大家自己去不斷創(chuàng)新，我們這是拋磚引玉，僅供給大家參考。我們可以把這個板反并在一個比較大的散熱器上面去，然后用螺絲固定在上面。后面有一個圖表具體講述這個是怎么做上去的，在反面做一些過氣孔，這些過氣孔的特點的話就是可以很好的把這個熱散出去。因為我們知道一般這種PCB散熱銅片如果不露在空氣當中的話散熱不是很好的，當它有這些過氣孔的話可以跟散熱器有一個很好的導(dǎo)熱性，所以我們開了一些過氣孔，然后通過一個薄的硅膠片，把一個散熱器貼在上面，也可以用螺絲固定在上面去，這個都可以，一個總的方式就是這樣。另外的話這種IPARK封裝跟散熱器的鉚接可以用一個夾子，然后把這個IGBT放在這個夾子上面，然后用螺絲固定在上面，可以起到一個比較好的散熱效果。
這種逆向?qū)ㄐ虸GBT在實驗當中我們驗證了一下它的溫度，這個溫度特性是非常好的，基本上有很大的余量。同樣兩種IPARK和DPARK的封裝在實際運用當中都沒有出現(xiàn)過任何的問題，包括波形、電流、溫度都是非常穩(wěn)定的。剛才提到它的溫度雖然比TO220封裝的話溫度會高10到15度，但是最高結(jié)溫是175度，所以仍然存在一些優(yōu)勢，剛才我們也推薦了一些如何去加強散熱的方式，當然大家可能有更好的方法。
這個是英飛凌IGBT命名的方式，I就是英飛凌。因為英飛凌之前是從西門子獨立出來，所以一些老的產(chǎn)品可能還會沿用這種S開頭的。D是指它的定義，IGBT的類別，K就是這種硬開關(guān)的IGBT，H是軟開關(guān)的IGBT，G就是只有IGBT而沒有二極管的這種IGBT。我們有一款軟開關(guān)的IGBT是專門針對電磁爐的電磁感應(yīng)加熱的應(yīng)用，這一款也是相當?shù)牟诲e，有機會大家可以嘗試一下。另外D是它的封裝形式，D是DPARK的封裝，W是TO240，P是TO220，04是它的一個電流等級，這個電流是在100度的情況下測出來的，N是N溝道，60是它的最大電壓，比如60就是600V，R就是指它的第幾代產(chǎn)品或者是哪一種系列，然后R就是逆向?qū)ㄐ虸GBT中的R2、R3。
這個是我們的IGBT的產(chǎn)品線，可以看到目前RC—Drives的IGBT有4安到15安，封裝的有IPARK，DPARK，同時英飛凌也有其他類型的IGBT可以供大家選擇?？赡苡幸恍└忻嫔舷嗤?，都是用兩個晶圓來做，但是唯一這一款是用一個晶圓來做的。這個是Discrete IGBT在的一些應(yīng)用。這種RC—Drives的IGBT可以應(yīng)用在像洗衣機、洗碗器、吸塵器、空調(diào)、冰箱的壓縮機、伺服驅(qū)動、風扇還有水泵，我們傳統(tǒng)的Trench IGBT基本上所有的都可以應(yīng)用在這上面。
注：2010年4月10日，英飛凌在電子元件技術(shù)網(wǎng)舉辦的新型節(jié)能設(shè)計技術(shù)研討會上發(fā)表演講，根據(jù)演講內(nèi)容，我們整理出該文章，下載演講資料，請點擊：http://m.jizeke.com/bbs/viewthread.php?tid=23692&extra=page%3D1
