Специфика прменения IGBT-транзисторов в различных приложениях

IGBT-транзисторы (далее IGBT) во многом схожи с MOSFET. Для IGBT исходным материалом служит Р+, а для MOSFET — чаще N+. В MOSFET эпитаксиальный слой n-типа представляет собой область с большим сопротивлением. В IGBT эпитаксиальный слой n-типа расположен на Р+ подложке, его проводимость модулируется и потери меньше. На рисунке 1 эти потери отражены резистором R_DRIFT. Обычно при больших токах потери в IGBT напряжением 600 В меньше, чем в MOSFET с таким же напряжением.

Рис. 1. Электрическая схема IGBT

IGBT, в отличие от MOSFET, биполярный транзистор, следовательно, рекомбинация неосновных носителей увеличивает коммутационные потери.
Оба типа транзисторов состоят из множества ячеек, соединенных параллельно — на рисунке 1 показана электрическая схема ячейки IGBT. Сопротивление R_SC крайне мало, поэтому паразитный n-p-n-транзистор не открывается даже при очень больших токах. Когда IGBT полностью открыт, напряжение насыщения определяется из соотношений:

V _CE(SAT) = V_{BE (PNP)} + I_MOSFET(R_CH + R_JFET + R_DRIFT);

I_MOSFET = I_C/(h_FE + 1).

Крутизна характеристики у IGBT много больше, чем у MOSFET, поэтому и ток короткого замыкания (КЗ) значительно больше, следовательно, необходимы ограничительные меры.

Технологии IGBT
Основные два типа планарных IGBT — это IGBT с локальными пробоями (punch-through, PT) и без локальных пробоев (non-punch-through, NPT). Отличия между ними проиллюстрированы на рисунке 2. PT-структура имеет толстую подложку Р+ и N-буфер, управляющий инжекцией в N-область (базу p-n-p-транзистора). Время переключения и величина V_CE(SAT) определяются степенью легирования буфера и временем жизни неосновных носителей — примерно 0,25 мкс.

а)                                   б) Рис. 2. Структура PT (а) и NPT (б)

NPT-структура обладает толстым N-слоем и не имеет буфера. Время переключения и величина VCE(SAT) определяются инжекцией Р-эмиттера, поэтому эмиттер сделан очень тонким (меньше 0,5 мкм). Основные отличия между этими структурами состоят в следующем.
1. Выбор между V_CE(SAT) и Е_OFF: в РТ-структуре обычно удается достичь лучшего компромисса между этими величинами за счет меньшего по толщине N-слоя.
2. Температурный коэффициент V_CE(SAT) у NPT-структуры всегда положительный, поэтому такие транзисторы удобно включать параллельно. В РТ-структуре температурный коэффициент может быть и положительным, и отрицательным — в зависимости от того, какая используется примесь для уменьшения времени жизни неосновных носителей. Как правило, быстрые транзисторы с РТ-структурой имеют отрицательный температурный коэффициент, а медленные — положительный.
3. Температурный коэффициент Е_OFF. У NPT-структуры с возрастанием температуры Е_OFF увеличивается незначительно, т.к. время жизни неосновных носителей не меняется. У транзисторов с РТ-структурой с возрастанием температуры Е_OFF увеличивается значительно — удваивается при повышении температуры от 25 до 150°С. Причем, этот эффект более явно проявляется у быстрых транзисторов.
4. T_FALL. У транзисторов с NPT-структурой время спада довольно велико. Напротив, у транзисторов с PT-структурой это время крайне мало, поэтому невелико и значение Е_OFF, а, следовательно, малы потери на переключение.
5. E_ON практически не зависит от температуры для обеих структур.
6. Возможность выключения при индуктивной нагрузке — Unclamped Inductive Switching (UIS). Транзисторы с NPT-структурой более устойчивы в этом отношении, потому что имеют широкий N-слой. По этому параметру они приближаются к MOSFET. IGBT с PT-структурой менее устойчивы к лавинному пробою, за исключением случаев, когда они специально разрабатываются для повышения UIS. С улучшением динамических характеристик транзисторов с PT-структурой UIS ухудшается.
7. Устойчивость к токам КЗ — Short circuit withstand time (SCWT). Этот параметр определяет время, в течение которого транзистор должен выдерживать ток КЗ. И в этом отношении транзисторы с NPT-структурой имеют превосходство благодаря более широкому N-слою, который увеличивает сопротивление транзистора, тем самым уменьшая ток КЗ.
Не так давно компания Fairchild начала выпуск новых планарных транзисторов с уменьшенной толщиной кристалла — Field Stop IGBT, используя структуру, во многом схожую с SMPS IGBT. Серия планарных транзисторов UF/D с уменьшенными потерями на проводимость и мягким переключением предназначена для приложений с невысокой частотой переключения, например для индукционного нагрева. Серия SF новых Field Stop IGBT может заменить SMPS IGBT, она подходит для приложений с высокой частотой переключения, таких как корректоры коэффициентов мощности, источники бесперебойного питания и т.д. В инверторах солнечных батарей эффективность — важнейший показатель, для них предназначена серия SFD. Транзисторы этой серии выигрывают у ближайших аналогов и по времени выключения, и по энергии переключения.
Рассмотрим требования, предъявляемые к транзисторам различными приложениями. Например, электропривод весьма требователен к силовым ключам:
– низкое напряжение V_CE(SAT) ;
– мягкое включение и выключение для уменьшения электромагнитных помех;
– малая крутизна характеристики для уменьшения токов КЗ;
– желательно выдерживать ток КЗ более 10 мкс;
– широкая область безопасной работы при выключении — Reverse Biased Safe-Operating-Area (RBSOA), превышающая в 5—6 раз значение номинального тока;
– положительный температурный коэффициент V_CE(SAT) , позволяющий включать транзисторы параллельно;
– параметры V_CE(SAT)  и потери при выключении должны быть оптимизированы для увеличения частоты переключения;
– должны быть уменьшены потери при включении — необходимо одновременное уменьшение параметров Trr и Qrr — времени и заряда обратного выброса антипараллельного диода транзистора;
– необходимо уменьшить эффект Миллера: соотноше­ние Qgd/Qgs должно быть минимальным;
– напряжение V_GE(th) управления затвором должно превышать 6 В для уменьшения влияния помех;
– скорость переключения dv/dt должна быть меньше 7 кВ/мкс.
Практически те же параметры должны быть для инверторов солнечных батарей и источников бесперебойного питания, но в этих случаях необходимо увеличить скорость переключения. Иногда требуется весьма малое значение V_CE(SAT)  при невысокой частоте переключения. Для таких приложений Fairchild разработала серию LSD, в которой для уменьшения величины V_CE(SAT)  принесены в жертву динамические параметры.
С другой стороны, при той же топологии инвертора могут потребоваться транзисторы с улучшенными динамическими параметрами, если, например, используется модуляция основной частоты. В этом случае удобно использовать Field Stop IGBT серии SFD. Для электропривода разработаны 600-В IGBТ серии RUF/C3. В скором времени на смену ей придет новая серия RUF планарных Field Stop IGBT.

Транзисторы на это напряжение используются во многих приложениях. В некоторых из них не возникают токи КЗ, в других, напротив, такой режим часто повторяется. Сейчас активно растет рынок источников бесперебойного питания для центров данных и инверторов для солнечных батарей. В обоих случаях очень важен высокий КПД преобразователей, т.к. стоимость солнечных панелей достаточно высока, а объем рынка центров данных очень велик и только в США оценивается в 50 млрд. долл. Поэтому низкий КПД инверторов в этом случае означает большие потери и возрастание стоимости. IGBT-транзисторы в значительной степени определяют КПД инверторов и являются важным компонентом этих систем.
В производственной линейке компании присутствуют IGBT с NPT-структурой с уменьшенными потерями на выключение, специально разработанные для этих приложений. При их применении уменьшаются размеры охладителей, а, следовательно, размеры и стоимость инверторов. В таблице 1 приведены основные параметры IGBT компании Fairchild, изготавливаемых по разным технологиям. Для высоковольтных DC/DC-преобразователей и DC/DC-преобразователей с топологией FB-ZVS (включение при нулевом напряжении) подходит технология NPT2 planar — потери на выключение в этом случае совсем невелики и снижены на 40—60% по сравнению с предыдущим поколением; уменьшены и потери проводимости.

Эти транзисторы разработаны для уменьшения V_CE(SAT)  и потерь на выключение, кроме того, увеличена плотность тока, следовательно, уменьшена стоимость. В транзисторах, изготовленных по этой технологии (см. рис. 3а), удалось достичь компромисса между напряжением V_CE(SAT)  и потерями при выключении. И хотя эта технология довольно устаревшая, все же в силу своей невысокой стоимости она до сих пор пользуется спросом.

а)                                   б) Рис. 3. Структура trench (а) и Field Stop Trench (б) ячеек

Field Stop Trench — новейшая технология (см. рис. 3б). Добавление примесей в Field Stop N-буфер позволяет значительно уменьшить толщину базы без изменения пробивного напряжения. Тонкая база уменьшает потери проводимости, а также позволяет достичь удачного компромисса между потерями на выключение и напряжением V_CE(SAT) . По плотности тока эта технология сравнима с trench-gate IGBT. Основные ее особенности заключаются в следующем:
– отсутствие эпитаксиального слоя снижает стоимость транзистора;
– процесс изготовления довольно дорогостоящий, но за счет уменьшения размера кристалла можно снизить стоимость;
– при необходимости можно добавлять примеси, сокращающие время жизни неосновных носителей;
– хороший компромисс между V_CE(SAT)  и SCWT;
– отличные функциональные показатели;
– малая величина V_CE(SAT) , такая же, как в транзисторах с РТ-структурой;
– малая величина UIS;
– из-за высокой плотности тока в меньшем числе случаев необходимо прибегать к параллельному включению ключей.

Не существуют идеального IGBT, все параметры которого были бы лучше, чем у аналогов. В каждой технологии изготовления транзистора удается достичь оптимального значения лишь некоторых из основных парамет­ров. Приведенные в статье сведения об основных технологиях позволяют выбрать подходящий транзистор для различных приложений.