混合IGBT支持电子应用中的更高效率

传统的 IGBT 在历史上一直受到开关损耗的影响。为了高效运行，IGBT 需要像硅 FRD 一样的续流二极管 （FRD），如图 1 所示。随着 Rohm Semiconductor 最近发布的一种混合 IGBT，它采用了 SiC 肖特基势垒二极管 （SBD），这一限制得到了解决，从而导致与传统的 Si FRD IGBT 和超结 （SJ） MOSFET 相比，分别提高了 67% 和 24%。这种改进加上低成本，有利于多种用途，包括机器人、辅助电源、高压工业电机驱动和不间断电源 （UPS）。罗门半导体的这份白皮书将批判性地研究新的混合 IGBT 系列版本及其应用，并比较分析该系列中各种产品的规格。

图 1：功率器件配置比较

电子应用中对高效功率半导体器件的需求不断增长

电子产品的快速小型化、多功能化以及对节能的推动已经导致对高效功率半导体器件的空前需求。绝缘栅双极晶体管（IGBT）在电子制造业中得到广泛普及；然而，混合 IGBT 解决方案提供更高水平的可靠性，适用于高功率要求的工业和汽车应用。该解决方案适用于电动和电动汽车 （xEV） 中的汽车充电器（车载充电器）、太阳能逆变器（功率调节器）、UPS、空调、电子压缩机和车载 DC/DC 转换器。

混合 IGBT 非常适合这些应用，因为它们满足低开关损耗、低 V CE、高功率转换效率和低成本等关键要求。这些解决方案提供超过 97% 的效率，可确保在用于汽车充电器时具有较宽的工作频率范围。在 100 kHz 时，它们的效率比传统 IGBT 高 3%，有助于在这些汽车和工业应用中降低功耗和成本效益。

图 3：不同功率器件配置的功率转换效率比较

图 3 显示，传统的 Si FRD IGBT 在 100 kHz 时具有 94% 的最低功率转换效率。尽管标准 SJ MOSFET 和混合 IGBT 具有相当的效率，但较新的 IGBT 显示出优于 SJ MOSFET 的质量，因为它们即使在更高的工作频率下也能保持稳定性。

将SBD 与 IGBT 集成：主要优势

尽管传统的 IGBT 和 SJ MOSFET 是由硅衬底制成的，但它们的器件结构存在一些差异。例如，虽然 IGBT 在开启或关闭时会出现与开关损耗相关的问题（开启和关闭损耗），并且使用 FRD 可以更有效地运行，但 SJ MOSFET 具有更好的开关损耗相关特性，并且没有要求对于FRD。然而，IGBT 可以处理比 MOSFET 更高的电压，这使得它们成为多种大功率应用的理想之选。与 SiC FRD 不同，SiC SBD 可以通过降低开关损耗来极大地提高 IGBT 的性能。

图 4：通过集成 SiC SBD 降低开启损耗的效果

图 4 显示了 SiC SBD 与 IGBT 集成的理想效果。如图所示，与传统的 Si FRD 集成 IGBT 相比，SiC SBD 集成 IGBT 与新型 IGBT 一样，可以限制超过 10A 的电流损耗，并将功率器件的反向恢复时间缩短多达 60%。如图 5 所示，通过将 SiC SBD 用作 FRD，混合 IGBT 与传统 IGBT 相比可显着降低高达 67% 的开关损耗，与 SJ MOSFET 相比可降低 24%。

图 5：不同功率器件配置中的损耗比较

此外，无论结温范围如何，SiC SBD IGBT 均可实现较低的正向压降 （V f ），从而提高效率。

图 6：SiC SBD IGBT 提供的 Vf 低于其他公司。

混合 IGBT 在各种大功率工业和汽车应用中的优势

混合 IGBT 在电子应用中具有多种优势。与现有的 IGBT 相比，它们在 E on和 E rec降低、开关效率、V CE（sat）降低、V峰值降低和整体效率方面都有显着改进。

E on和 E rec减少

在 IGBT 中加入 SiC SBD 可显着降低开启期间的能量损失 （E on ） 和反向恢复能量损失 （E rec ），最多可降低 50%。

图 7：使用混合 IGBT 降低 Eon

传统Rohm的Si FRD IGBT（RGW00TS65D）的Eon为1.11兆焦耳，而SiC SBD IGBT的Eon为0.57兆焦耳。SBD IGBT的开关将限制开关期间的能量损失，并支持大电流、高电压应用。

（注：Eon包括二极管反向恢复（Erec）。）

从Eon和Erec的减少中提高开关效率

Eon和Erec的减少导致开关能量损失的相应减少，从而提高开关效率。混合IGBT的特点是开关能量损失从2.7兆焦耳显著减少到1.4兆焦耳，相当于47%。

图 8：由于 Eon 和 Erec 减少导致 ESW 减少

开关效率相应提高 3.2%，使 RGWxx65C 系列适用于硬软件应用。

图 9：显示混合 IGBT 开关效率改进的图表

V CE（sat）降低

图 10 显示，Rohm 的混合 IGBT 显着降低了电力系统中的集电极-发射极电压 （V CE ）。在 I C = 60 A 和 T j = 175˚C 时，RGW00TS65C 的 V CE（SAT） = 1.85 V，比 Comp. 的传统 IGBT 低 0.05 V。D. 此外，在 T j = 25˚C 时，混合 IGBT 的 V CE（SAT）为 1.5 V，比传统 IGBT 低 0.15 V。Rohm 的更薄晶圆技术和场停止导致 V CE（SAT）和 SW 损耗之间的最佳平衡，有利于降低整体损耗、提高效率和降低器件温度。

图 10：IC 与 VCE 的关系图

开关事件期间的V峰值降低

混合 IGBT 的过冲被限制为 1，这会导致 V峰值显着降低。传统 IGBT 的 V峰值为 519 V，而混合 IGBT 系列的 V峰值较低，为 478 V，如图 11 所示。

图 11：比较的 Vpeak 值比较。D和罗姆

混合 IGBT 比 Comp 更能有效降低EMI 的Rg。D. 它还有助于确保降低开关损耗，如图 13 所示。

图 12：EOFF+ON 与 IC、SW 的关系图

与其他技术相比，整体效率提高

与其他技术相比，混合 IGBT 系列在高开关频率下表现出卓越的效率。仅次于 SiC MOS 技术，超越 SJ MOSFET。凭借这些高水平的效率，由于极快的 SiC SBD，开关损耗显着降低。

图 13：混合 IGBT 与其他技术的整体效率比较

罗姆 IGBT 解决方案：规格比较

Rohm的RGWxx65C系列是第三代Rohm IGBT。该系列包括RGW60TS65CHR、RGW80TS65CHR和RGW00TS65CHR。该系列中的其他产品目前正在开发中，例如RGW40NL65CHR、RGW50NL65CHR和RGW60NL65CHR。现有产品目前正处于量产阶段，预计将于2021第1季度实现商业化。RGWxx65C系列的一些常见功能包括符合AEC-Q101、内置无恢复SiC SBD、低集电极-发射极饱和电压、无铅铅电镀、符合RoHS、低开关损耗、软开关和TO-247N封装。

Rohm 利用沟槽栅极和薄晶圆技术来实现低 V CE（sat）并减少开关，从而有助于在各种大电流、高压应用中提高效率并节省更多能源。

表 1 和表 2 给出了罗姆混合 IGBT 规格的详细比较。表 1 显示了解决方案的绝对最大额定值，表 2 总结了 IGBT 电气特性。

表 1：绝对最大额定值（Tc = 25˚C 时，除非另有说明）

表 2：IGBT 电气特性（Tj = 25˚C 时，除非另有说明）

这种混合型 IGBT 的三个成员的额定电压为 650 V CES ，额定电流为30-A 至 50-AI C。此外，它们的工作结温相似，为 –40°C 至 175°C。

然而，RGW00TS65C IGBT 表现出最高的开关损耗，在 25°C 和 175°C 的工作结温下分别为 0.18 mJ 和 0.19 mJ。这些值低于传统的 IGBT，使其适用于多种应用。

审核编辑：郭婷