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二极管+IGBT:新架构能带来什么新应用?
 

                           

技术特点:

  逆向导通型IGBT将二极管和IGBT集成在同一个晶片里

  节省空间,价格低

  175度的结温,EMI效果良好

  应用领域:

  洗衣机、洗碗器、吸尘器、空调、冰箱的压缩机、伺服驱动、风扇

  由于现在经济的快速发展,能源的消耗也是急剧增加,我们如何去减少能源的损耗做到节能减排?这就要求我们的产品有一个更高的效率,更低的成本。而对于一个高性能的系统来说,半导体器件的选择尤为重要。今天我给大家介绍的就是英飞凌一个新的逆向导通型IGBT。我们知道传统的IGBT,二极管和IGBT是分开的两个晶圆,而这一款新的逆向导通型IGBT是将二极管和IGBT集成在同一个晶圆上面,它们有相同的电流等级。新的逆向导通型IGBT引用了哪些技术呢?首先的话,它引入了场终止技术,也就是它大大的减小了晶圆的厚度,使它有一个非常低的饱和导通压降,从而提高了整体的效率。第二点是引入了一个沟道栅技术,进一步减少了饱和导通压降,因为饱和导通压降是由载流子的浓度来决定,而引入沟道栅相当于为载流子引入了一个通道,使它的饱和导通压将进一步减小,从而减小导通损耗。第三是引用了一个逆向导通型二极管,将这个二极管集成在IGBT里面可以大大减少它的体积。

  目前这种逆向导通型IGBT有两种封装形势,一种是IPAK封装,另外是DPAK封装,电流有4安、6安、10安和15安四个等级。它主要的特点就是有非常低的价格,还有节省空间。半导体器件它的成本主要取决于两个方面,一个是它的晶圆,减少晶圆的数量,从两个晶圆减少到一个晶圆可以减少成本。另外的话,这种T0220的封装还有这种D2PARK封装可以减少成IPARK封装和DPARK封装,同时减少封装的成本,减少了封装的话同样会减少它的空间,但是减少了晶圆的话会不会对它的性能造成影响?首先我们来看一下,同样它有一个非常低的饱和导通压降,对它的性能丝毫没有任何影响。另外可以通过改变门级驱动电阻,在宽范围调节它的开通和关断的时间,有一个非常好的EMI效果,非常平滑的开关波形,5us的短路保护能力,最高结温可以达到175度。这个是这种逆向导通型IGBT的主要参数,这个是它的击穿电压,这个是它的电流,这是175度饱和导通压降,这是开关的能力,这是短路保护的能力,这是它的门级驱动电压,基本上对于一个200W的产品可以选择4安的IGBT,600W的话可以选择一个6安的,1000W可以选择一个10安的,1500W的可以选择15W的产品。

  

  从功率密度来说如果选用这种小封装的IPARK产品去取代TO220封装的话,面积可以减少75%,高度可以减少49%。而用这种DPARK封装产品的话,如果去取代D2PARK这种产品,它的面积可以减少63%,高度同样可以减少到49%。

  

  这是一个实际的PCP板上的IGBT的图,我们看到如果用D2PARK的话,它两颗的面积大概在2.5厘米,而如果使用DPARK封装的话可以减少到1.5厘米左右,同时它跟IGBT模块来相比的话可以节省0.5个美金的成本,所以对于一些消费类市场低成本的产品这个相当重要的。

  

  总结一下IGBT的重要特点,一个是成本,因为它采用的是一个晶圆,所以它的成本有很大的优势;另外因为减少了它的封装,可以给PCB留下更多的空间,进一步提高产品的功率密度。同时它也有一个非常好的性能,非常低的饱和导通压降,一个非常软的开关特性对EMI非常有帮助,它还有一个很好的温度特性,最高温度可以达到175度。蓝色曲线是逆向导通型IGBT和目前TO220封装的饱和导通压降的比较。这是用一个6安的产品在做比较,当这个电流在6安的时候可以看到饱和导通压降非常的低。

  

  衡量一个IGBT的好坏有两个非常重要的指标,一个就是它的饱和导通压降,就是Vce(sat),另外一个就是开关损耗,也就是Eoff。对于低频的应用来说,饱和导通压降是占有绝对支配地位的,所以选择这种RC-Drives的IGBT会是一个非常好的选择,因为可以看到这种RC-Drives IGBT的饱和导通压降是远远低于市面上的一些产品。这个是在一个无刷电机上面的损耗的分析。

  

  这个是25度损耗的时候,这个是175度损耗的时候,可以看到蓝色的这根线,基本上它的损耗跟这个TO220封装产品相差并不是很大。这个是在基于刚才基础上做的一个损耗分析,首先频率在4K赫兹的时候可以看到,这个浅蓝色的就是二极管的开关损耗,这个是二极管的导通损耗,这个是IGBT的开关损耗,这个是IGBT的导通损耗。可以看到在4K的情况下导通损耗这一部分和这一部分是占了绝对支配地位的。所以对于一个低频应用来说减少它的饱和导通压降对于IGBT是相当的重要,当它的频率升高的时候,它的开关损耗就会稍微升高一点。

  

 EMI也是大家非常头痛的一个问题,也是非常关心的一个问题。逆向导通型IGBT同时优化了它的EMI的性能,它有一个非常好的开关,非常平滑的一个开关特性,不会有一个很大的振动,干扰。所以我们可以看到它的关断和开通的时候dV/dt的现象,基本上在关断的时候dV/dt基本上控制在一个10V/us的情况,而在开通的时候基本上也可以控制在—10V/us。

  

  再加上不同的驱动电阻,这个时候我们也对dV/dt进行了一个测试,然后可以看到基本上我们的dV/dt都比我们的竞争对手或者市面上的产品会优异很多。因为减少IGBT的dV/dt的话可以减少前级的EMI滤波器的要求,同样也可以减少成本,所以这个产品不仅在本身的价格上面有优势,同样也可以整体的减少系统的成本。

  下面就是为了验证这种逆向导通型IGBT在实际应用当中的一个表现,我们在一个洗衣机上面验证了6安的IPARK的产品,在一个风机上面我们验证了6安的DPARK的产品。这是一个实际的洗衣机的控制板,这种方式就是采用了夹子,然后把这个IGBT夹在散热器上面。稍候我们会用这种IPARK的封装对这种TO220的封装做一些替代,然后比较一下他们的不同。就是说我们把其中的一路替代成IPARK产品,然后做一个效率还有温度的检测,通过这种热电偶的方式来检测它的表面温度,来检测它的结温。因为它外面有一个夹子,我们没有办法用红外相机来检测它的温度,所以我们采用了这种热电偶的方式。这个是洗衣机的工作流程,首先的话是抽水,这个是洗涤,这个是漂洗,这个是甩干,整个20分钟的流程当中它的温度的表现,基本上它的最高温度没有超过90度,我们可以看到这个绿色和红色有一点稍微小小的区别,这是因为它的散热不一样,IGBT的位置放在不一样,所以会有一点不一样,这个不用太过担心。

  

  同时跟这种TO220的封装的IGBT也做了一个温度的比较,我们会发现TO220封装的IGBT温度会比逆向导通型IGBT会低10度到15度,但是这个对于IGBT没有任何影响。为什么呢?因为通常这种TO220的封装的IGBT最高结温是150度,而逆向导通型IGBT是175度,所以它实际能力还是比这个要高,这是这种逆向导通型IGBT的优势。为了进一步来确认一下这个温度的应力,然后我们把这个测试放在一个密闭的环境当中再来看它的表现,就是说我们来开动洗衣机使它的环境温度平衡在40度这个环境上,就是从25度上升到40度,然后再来检测IGBT的温度,我们仍然可以发现基本上它的最高温度仍然没有超过90度,所以对于一个结温在175度的情况下,它有一个相当大的裕量。

                                     

  下面我们来总结一下这种IPARK封装的IGBT在洗衣机当中的应用。基本我们这种IPARK的IGBT是可以完全取代TO220的这种IGBT。虽然它的温度有比这种TO220的封装要高上10到15度,但是它的最高结温会比这种TO220的封装会高25度,所以还是存在一个非常好的优势。另外就是它有一个非常平衡的温度特性,即使它的环境温度升高的情况下它的结温上升的幅度不会很明显。下面我们会在一个风机上面来应证明DPARK封装的逆向导通型IGBT,然后我们采用一个6安的逆向导通型IGBT,然后用一个Driver IC和一个MCU来做一个测试。这个是我们的实验设备,这个是红外相机检测它的温度。在一个200w的风机上面我们可以得到它的最高温度始终不会超过75度,所以这是一个非常好的结果。

  下面跟大家介绍一下这两种IGBT跟散热器铆接的方式,这是一个商业冰箱的压缩机控制板,这是我们的DEMO板,我们怎么可以使这种DPARK封装的IGBT有一个很好的散热?我们有一个推荐的方式,当然大家可能有不同的方式,大家自己去不断创新,我们这是抛砖引玉,仅供给大家参考。我们可以把这个板反并在一个比较大的散热器上面去,然后用螺丝固定在上面。后面有一个图表具体讲述这个是怎么做上去的,在反面做一些过气孔,这些过气孔的特点的话就是可以很好的把这个热散出去。因为我们知道一般这种PCB散热铜片如果不露在空气当中的话散热不是很好的,当它有这些过气孔的话可以跟散热器有一个很好的导热性,所以我们开了一些过气孔,然后通过一个薄的硅胶片,把一个散热器贴在上面,也可以用螺丝固定在上面去,这个都可以,一个总的方式就是这样。另外的话这种IPARK封装跟散热器的铆接可以用一个夹子,然后把这个IGBT放在这个夹子上面,然后用螺丝固定在上面,可以起到一个比较好的散热效果。

  这种逆向导通型IGBT在实验当中我们验证了一下它的温度,这个温度特性是非常好的,基本上有很大的余量。同样两种IPARK和DPARK的封装在实际运用当中都没有出现过任何的问题,包括波形、电流、温度都是非常稳定的。刚才提到它的温度虽然比TO220封装的话温度会高10到15度,但是最高结温是175度,所以仍然存在一些优势,刚才我们也推荐了一些如何去加强散热的方式,当然大家可能有更好的方法。

                                       

   这个是英飞凌IGBT命名的方式,I就是英飞凌。因为英飞凌之前是从西门子独立出来,所以一些老的产品可能还会沿用这种S开头的。D是指它的定义,IGBT的类别,K就是这种硬开关的IGBT,H是软开关的IGBT,G就是只有IGBT而没有二极管的这种IGBT。我们有一款软开关的IGBT是专门针对电磁炉的电磁感应加热的应用,这一款也是相当的不错,有机会大家可以尝试一下。另外D是它的封装形式,D是DPARK的封装,W是TO240,P是TO220,04是它的一个电流等级,这个电流是在100度的情况下测出来的,N是N沟道,60是它的最大电压,比如60就是600V,R就是指它的第几代产品或者是哪一种系列,然后R就是逆向导通型IGBT中的R2、R3。

  这个是我们的IGBT的产品线,可以看到目前RC—Drives的IGBT有4安到15安,封装的有IPARK,DPARK,同时英飞凌也有其他类型的IGBT可以供大家选择。可能有一些跟市面上相同,都是用两个晶圆来做,但是唯一这一款是用一个晶圆来做的。这个是Discrete IGBT在的一些应用。这种RC—Drives的IGBT可以应用在像洗衣机、洗碗器、吸尘器、空调、冰箱的压缩机、伺服驱动、风扇还有水泵,我们传统的Trench IGBT基本上所有的都可以应用在这上面。