利用安森美半导体IGBT实现高能效的高性能开关应用

       今天，不论是用在工业领域还是民用产品的开关应用，绝缘栅双极晶体管（IGBT）都可以提供有效的解决方案，以实现最终产品的高能效和高性能。在节能至上的市场上，电子设计人员首选可以实现高能效的器件，而且要针对不同应用选择合适的IGBT。推动高能效创新的安森美半导体提供丰富的分立式IGBT方案，广泛用于电磁炉、不间断电源(UPS )、太阳能逆变器和逆变电焊机等领域。

       IGBT技术概述

        IGBT有强耐能量冲击能力和强耐短路电流能力 (5至10微秒)。现有IGBT包括沟道非穿通型 (NPT)、沟道场截止型 (FS) 第一代和沟道场截止型第二代IGBT等类型。随着制造工艺的进步，开始采用50微米晶圆及金属背板，超薄晶圆及其背面处理工艺减少了IGBT的导通和开关损耗。

       对比沟道非穿通型和沟道场截止型IGBT可以发现，前者的电场强度在硅漂移区 (n-FZ)线性递减到0，硅漂移区厚度与耐压成线性正比，因此具有高导通压降和高关断损耗；后者用N缓冲层减少了硅漂移区的厚度，实现了超薄晶圆，从而实现了低导通压降和低关断损耗 (图1)。

图1：沟道非穿通型和沟道场截止型IGBT对比

      从技术趋势看，6至8英寸晶圆的厚度在不断缩减，从最初的250 μm到目前生产的100 μm和75 μm，还有50 μm和40 μm厚度正在研发当中。可以预期，今后IGBT的性能仍有望提高。

        安森美半导体IGBT产品及应用市场

       安森美半导体提供完善的IGBT产品系列，可以根据频率、应用和电压进行分类 (表1)，不同产品有不同的特性和应用范围。

  

表1：安森美半导体IGBT产品系列

         安森美半导体的29款场截止第一代IGBT中600伏 IGBT 性能接近或超过市场领先产品；新发布的8款1200伏/1350伏用于电磁感应加热的场截止型第二代IGBT，其性能领先于市场同类产品；还有新发布的3款1200伏场截止型第二代通用IGBT，性能与市场同类产品相媲美。

        在工业应用方面，分立式IGBT的市场应用主要包括电机驱动、逆变式电焊机、变频驱动、功率因数校正，安森美半导体提供的主要产品有1200 V/ 15 A-40 A及600 V/ 30 A-50 A；用于不间断电源、太阳能逆变器、高效功率转换器应用的主要产品是600 V/30 A-50 A及1200 V/15 A-40 A；而用于家用电器，如电火锅和电饭锅、厨用电炉、空调机功率因数校正的主要产品有1200V/15A-40A、600V/30A-40A和600V/30A-50A。

       安森美半导体同时提供相应的技术支持，如2千瓦电机驱动测试系统、2千瓦电磁炉测试系统、3千瓦功率因数校正测试板、10千瓦中点钳位转换器，以及用于测试IGBT模块的100千瓦太阳能逆变器，350安培逆变式电焊机正在开发中。

         安森美半导体IGBT产品应用示例

       1)    电磁感应加热

       安森美半导体的IGBT采用沟道场截止工艺，以合理的价格提供可靠性和优良的开关性能。其600伏30安培和40安培场截止型第一代IGBT导通电压低、开关损耗小，专门为半桥谐振式电磁感应加热设备设计，产品包括NGTB40N60IHLWG和NGTB30N60IHLWG；其1200伏15安培到40安培场截止型第一代IGBT导通电压低、开关损耗小，专门为单端谐振式电磁感应加热设备设计，产品包括NGTB15N120IHLWG、NGTB20N120IHLWG、NGTB25N120IHLWG、NGTB30N120IHLWG、NGTB40N120IHLWG、NGTB20N120IHSWG和NGTB30N120IHSWG。两者均可降低并联续流二极管的正向导通电压。而近期推出的用于电磁感应加热的15安培到40安培的1200伏和1350伏第二代场截止型IGBT系列可提供更低的开关损耗，工作可靠，适用于各类谐振和软开关应用，典型产品包括NGTB30N120IHR、NGTB30N135IHR、NGTB40N120IHR和NGTB40N135IHR等。这些器件的优点是提升系统开关效率\低功率损耗和节省线路板空间。安森美半导体为此开发了用于IGBT测试的2千瓦单端谐振电磁炉测试平台。

 

图2：600伏和1200伏电磁感应加热电路

         ?2) 电机驱动

       安森美半导体的通用型600伏非穿通型IGBT包括15到50安培的一系列型号(包括NGTB15N60EG、NGTB30N60FWG和NGTB50N60FWB等)，以及通用型1200伏IGBT包括15到40安培的一系列型号 (采用第一代场截止工艺，包括NGTB15N120LWG、NGTB20N120LWG、NGTB25N120LWG、NGTB30N120WG和NGTB40N120LWG)，可降低并联续流二极管的正向导通电压，具有导通电压低、开关损耗小、提升系统效率、节省线路板空间等优点，广泛用于包括电机驱动、各种逆变器、变频驱动、泵、空气交换机等工业领域的硬开关电路。安森美半导体开发了用于IGBT测试三相全桥2千瓦电机驱动系统测试平台。

 

图3：电机驱动系统测试平台

 

         ?3) 功率因数校正

        安森美半导体的600伏专用于功率因数校正和升压的600伏IGBT采用第一代场截止工艺，可以低廉价格实现可靠工作、低导通电压和低开关损耗，提升系统开关效率，节省线路板空间，包括NGTG50N60FWG和NGTG30N60FWG等。基于这类应用的特殊性，这类IGBT不含并联续流二极管，适用于太阳能逆变器升压转换器、空调机空滤引述校正和不间断电源功率因数校正等低频硬开关或是高频软开关电路。安森美半导体开发的单相3千瓦功率因数校正系统可用于IGBT的测试。

 

图4：功率因数校正测试曲线

        ?4) 逆变式电焊机

        安森美半导体还提供一系列可用于逆变式电焊机的600伏和1200伏从15到50安培IGBT(包括NGTB50N120FL2和NGTB50N60FLWG等)，采用场截止第一代工艺和场截止第二代工艺，这些IGBT有较低的导通压降和开关损耗，可降低并联续流二极管正向导通压，提升系统开关效率，低功率损耗，节省线路板空间，适用于全桥式逆变电焊机、半桥式逆变电焊机、电焊机功率因数校正、高频电焊机、激光切割机等高速开关应用。

图5：逆变式电焊机测试设备

         ?5) 不间断电源和太阳能逆变器

        安森美半导体用于不间断电源和太阳能逆变器 (包括中点钳位式逆变器) 的1200伏和600伏IGBT(包括NGTB50N120FL2和NGTB50N60FLWG等)采用场截止第一代和场截止第二代工艺，价格低廉，工作可靠，导通电压低，开关损耗小，并联的高速续流二极管正向导通电压低。这些器件适用于电池充电器、不间断电源、功率因数校正、全桥和半桥式太阳能逆变器/变换器、中点钳位式逆变器、升压变换器半/全桥拓扑结构。安森美半导体提供不同功率的逆变器用来测试分立式IGBT和IGBT模块。

图6：中点钳位式逆变器

          安森美半导体的客户已成功使用其场截止型第一代IGBTNGTB50N60FLWG开发出了各种应用，如功率10 千伏安、功率因数0.9的不间断电源，以及采用半桥谐振拓扑结构的1450瓦厨用电炉。客户认为，安森美半导体场截止型第一代IGBT的性能达到了市场上最好的性能；其IGBT在电磁炉上的温升低于其它2款IGBT。

        未来，安森美半导体将推出超过20款第四代 (场截止型第二代) IGBT以及专用于逆变式电焊机IGBT，并继续开发IGBT模块。无论客户的产品需求如何，安森美半导体总有一款高性能、高能效的IGBT方案能够满足要求，帮助设计工程师设计出高能效及高性能的产品。