- 逆向?qū)ㄐ虸GBT將二極管和IGBT集成在同一個(gè)晶片里
- 節(jié)省空間，價(jià)格低
- 175度的結(jié)溫，EMI效果良好
- 洗衣機(jī)、洗碗器、吸塵器、空調(diào)、冰箱的壓縮機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)、風(fēng)扇
由于現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)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(gè)更高的效率，更低的成本。而對(duì)于一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)晶圓上面，它們有相同的電流等級(jí)。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(chǎng)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(gè)非常低的飽和導(dǎo)通壓降，從而提高了整體的效率。第二點(diǎn)是引入了一個(gè)溝道柵技術(shù)，進(jìn)一步減少了飽和導(dǎo)通壓降，因?yàn)轱柡蛯?dǎo)通壓降是由載流子的濃度來決定，而引入溝道柵相當(dāng)于為載流子引入了一個(gè)通道，使它的飽和導(dǎo)通壓將進(jìn)一步減小，從而減小導(dǎo)通損耗。第三是引用了一個(gè)逆向?qū)ㄐ投O管，將這個(gè)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(shì)，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(gè)等級(jí)。它主要的特點(diǎn)就是有非常低的價(jià)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(gè)方面，一個(gè)是它的晶圓，減少晶圓的數(shù)量，從兩個(gè)晶圓減少到一個(gè)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(shí)減少封裝的成本，減少了封裝的話同樣會(huì)減少它的空間，但是減少了晶圓的話會(huì)不會(huì)對(duì)它的性能造成影響？首先我們來看一下，同樣它有一個(gè)非常低的飽和導(dǎo)通壓降，對(duì)它的性能絲毫沒有任何影響。另外可以通過改變門級(jí)驅(qū)動(dòng)電阻，在寬范圍調(diào)節(jié)它的開通和關(guān)斷的時(shí)間，有一個(gè)非常好的EMI效果，非常平滑的開關(guān)波形，5us的短路保護(hù)能力，最高結(jié)溫可以達(dá)到175度。這個(gè)是這種逆向?qū)ㄐ虸GBT的主要參數(shù)，這個(gè)是它的擊穿電壓，這個(gè)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(hù)的能力，這是它的門級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓，基本上對(duì)于一個(gè)200W的產(chǎn)品可以選擇4安的IGBT，600W的話可以選擇一個(gè)6安的，1000W可以選擇一個(gè)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(gè)實(shí)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(shí)它跟IGBT模塊來相比的話可以節(jié)省0.5個(gè)美金的成本，所以對(duì)于一些消費(fèi)類市場(chǎng)低成本的產(chǎn)品這個(gè)相當(dāng)重要的。
總結(jié)一下IGBT的重要特點(diǎn)，一個(gè)是成本，因?yàn)樗捎玫氖且粋€(gè)晶圓，所以它的成本有很大的優(yōu)勢(shì)；另外因?yàn)闇p少了它的封裝，可以給PCB留下更多的空間，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的功率密度。同時(shí)它也有一個(gè)非常好的性能，非常低的飽和導(dǎo)通壓降，一個(gè)非常軟的開關(guān)特性對(duì)EMI非常有幫助，它還有一個(gè)很好的溫度特性，最高溫度可以達(dá)到175度。藍(lán)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(gè)6安的產(chǎn)品在做比較，當(dāng)這個(gè)電流在6安的時(shí)候可以看到飽和導(dǎo)通壓降非常的低。
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衡量一個(gè)IGBT的好壞有兩個(gè)非常重要的指標(biāo)，一個(gè)就是它的飽和導(dǎo)通壓降，就是Vce(sat)，另外一個(gè)就是開關(guān)損耗，也就是Eoff。對(duì)于低頻的應(yīng)用來說，飽和導(dǎo)通壓降是占有絕對(duì)支配地位的，所以選擇這種RC-Drives的IGBT會(huì)是一個(gè)非常好的選擇，因?yàn)榭梢钥吹竭@種RC-Drives IGBT的飽和導(dǎo)通壓降是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于市面上的一些產(chǎn)品。這個(gè)是在一個(gè)無刷電機(jī)上面的損耗的分析。
這個(gè)是25度損耗的時(shí)候，這個(gè)是175度損耗的時(shí)候，可以看到藍(lán)色的這根線，基本上它的損耗跟這個(gè)TO220封裝產(chǎn)品相差并不是很大。這個(gè)是在基于剛才基礎(chǔ)上做的一個(gè)損耗分析，首先頻率在4K赫茲的時(shí)候可以看到，這個(gè)淺藍(lán)色的就是二極管的開關(guān)損耗，這個(gè)是二極管的導(dǎo)通損耗，這個(gè)是IGBT的開關(guān)損耗，這個(gè)是IGBT的導(dǎo)通損耗。可以看到在4K的情況下導(dǎo)通損耗這一部分和這一部分是占了絕對(duì)支配地位的。所以對(duì)于一個(gè)低頻應(yīng)用來說減少它的飽和導(dǎo)通壓降對(duì)于IGBT是相當(dāng)?shù)闹匾?，?dāng)它的頻率升高的時(shí)候，它的開關(guān)損耗就會(huì)稍微升高一點(diǎn)。
EMI也是大家非常頭痛的一個(gè)問題，也是非常關(guān)心的一個(gè)問題。逆向?qū)ㄐ虸GBT同時(shí)優(yōu)化了它的EMI的性能，它有一個(gè)非常好的開關(guān)，非常平滑的一個(gè)開關(guān)特性，不會(huì)有一個(gè)很大的振動(dòng)，干擾。所以我們可以看到它的關(guān)斷和開通的時(shí)候dV/dt的現(xiàn)象，基本上在關(guān)斷的時(shí)候dV/dt基本上控制在一個(gè)10V/us的情況，而在開通的時(shí)候基本上也可以控制在—10V/us。
再加上不同的驅(qū)動(dòng)電阻，這個(gè)時(shí)候我們也對(duì)dV/dt進(jìn)行了一個(gè)測(cè)試，然后可以看到基本上我們的dV/dt都比我們的競(jìng)爭對(duì)手或者市面上的產(chǎn)品會(huì)優(yōu)異很多。因?yàn)闇p少IGBT的dV/dt的話可以減少前級(jí)的EMI濾波器的要求，同樣也可以減少成本，所以這個(gè)產(chǎn)品不僅在本身的價(jià)格上面有優(yōu)勢(shì)，同樣也可以整體的減少系統(tǒng)的成本。
下面就是為了驗(yàn)證這種逆向?qū)ㄐ虸GBT在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中的一個(gè)表現(xiàn)，我們?cè)谝粋€(gè)洗衣機(jī)上面驗(yàn)證了6安的IPARK的產(chǎn)品，在一個(gè)風(fēng)機(jī)上面我們驗(yàn)證了6安的DPARK的產(chǎn)品。這是一個(gè)實(shí)際的洗衣機(jī)的控制板，這種方式就是采用了夾子，然后把這個(gè)IGBT夾在散熱器上面。稍候我們會(huì)用這種IPARK的封裝對(duì)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(gè)效率還有溫度的檢測(cè)，通過這種熱電偶的方式來檢測(cè)它的表面溫度，來檢測(cè)它的結(jié)溫。因?yàn)樗饷嬗幸粋€(gè)夾子，我們沒有辦法用紅外相機(jī)來檢測(cè)它的溫度，所以我們采用了這種熱電偶的方式。這個(gè)是洗衣機(jī)的工作流程，首先的話是抽水，這個(gè)是洗滌，這個(gè)是漂洗，這個(gè)是甩干，整個(gè)20分鐘的流程當(dāng)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(gè)綠色和紅色有一點(diǎn)稍微小小的區(qū)別，這是因?yàn)樗纳岵灰粯樱琁GBT的位置放在不一樣，所以會(huì)有一點(diǎn)不一樣，這個(gè)不用太過擔(dān)心。
同時(shí)跟這種TO220的封裝的IGBT也做了一個(gè)溫度的比較，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)TO220封裝的IGBT溫度會(huì)比逆向?qū)ㄐ虸GBT會(huì)低10度到15度，但是這個(gè)對(duì)于IGBT沒有任何影響。為什么呢？因?yàn)橥ǔ＿@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(shí)際能力還是比這個(gè)要高，這是這種逆向?qū)ㄐ虸GBT的優(yōu)勢(shì)。為了進(jìn)一步來確認(rèn)一下這個(gè)溫度的應(yīng)力，然后我們把這個(gè)測(cè)試放在一個(gè)密閉的環(huán)境當(dāng)中再來看它的表現(xiàn)，就是說我們來開動(dòng)洗衣機(jī)使它的環(huán)境溫度平衡在40度這個(gè)環(huán)境上，就是從25度上升到40度，然后再來檢測(cè)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(duì)于一個(gè)結(jié)溫在175度的情況下，它有一個(gè)相當(dāng)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(jī)當(dāng)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(huì)比這種TO220的封裝會(huì)高25度，所以還是存在一個(gè)非常好的優(yōu)勢(shì)。另外就是它有一個(gè)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(huì)很明顯。下面我們會(huì)在一個(gè)風(fēng)機(jī)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(gè)6安的逆向?qū)ㄐ虸GBT，然后用一個(gè)Driver IC和一個(gè)MCU來做一個(gè)測(cè)試。這個(gè)是我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，這個(gè)是紅外相機(jī)檢測(cè)它的溫度。在一個(gè)200w的風(fēng)機(jī)上面我們可以得到它的最高溫度始終不會(huì)超過75度，所以這是一個(gè)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(gè)商業(yè)冰箱的壓縮機(jī)控制板，這是我們的DEMO板，我們?cè)趺纯梢允惯@種DPARK封裝的IGBT有一個(gè)很好的散熱？我們有一個(gè)推薦的方式，當(dāng)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(gè)板反并在一個(gè)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(gè)圖表具體講述這個(gè)是怎么做上去的，在反面做一些過氣孔，這些過氣孔的特點(diǎn)的話就是可以很好的把這個(gè)熱散出去。因?yàn)槲覀冎酪话氵@種PCB散熱銅片如果不露在空氣當(dāng)中的話散熱不是很好的，當(dāng)它有這些過氣孔的話可以跟散熱器有一個(gè)很好的導(dǎo)熱性，所以我們開了一些過氣孔，然后通過一個(gè)薄的硅膠片，把一個(gè)散熱器貼在上面，也可以用螺絲固定在上面去，這個(gè)都可以，一個(gè)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(gè)夾子，然后把這個(gè)IGBT放在這個(gè)夾子上面，然后用螺絲固定在上面，可以起到一個(gè)比較好的散熱效果。
這種逆向?qū)ㄐ虸GBT在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中我們驗(yàn)證了一下它的溫度，這個(gè)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(shí)際運(yùn)用當(dāng)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(huì)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(shì)，剛才我們也推薦了一些如何去加強(qiáng)散熱的方式，當(dāng)然大家可能有更好的方法。
這個(gè)是英飛凌IGBT命名的方式，I就是英飛凌。因?yàn)橛w凌之前是從西門子獨(dú)立出來，所以一些老的產(chǎn)品可能還會(huì)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(duì)電磁爐的電磁感應(yīng)加熱的應(yīng)用，這一款也是相當(dāng)?shù)牟诲e(cuò)，有機(jī)會(huì)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(gè)電流等級(jí)，這個(gè)電流是在100度的情況下測(cè)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(gè)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(shí)英飛凌也有其他類型的IGBT可以供大家選擇。可能有一些跟市面上相同，都是用兩個(gè)晶圓來做，但是唯一這一款是用一個(gè)晶圓來做的。這個(gè)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(jī)、洗碗器、吸塵器、空調(diào)、冰箱的壓縮機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)、風(fēng)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(jì)技術(shù)研討會(huì)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(qǐng)點(diǎn)擊：http://www.sg1668.com/bbs/viewthread.php?tid=23692&extra=page%3D1
