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二極管+IGBT:新架構能帶來什么新應用?
 

                           

技術特點:

  逆向導通型IGBT將二極管和IGBT集成在同一個晶片里

  節省空間,價格低

  175度的結溫,EMI效果良好

  應用領域:

  洗衣機、洗碗器、吸塵器、空調、冰箱的壓縮機、伺服驅動、風扇

  由于現在經濟的快速發展,能源的消耗也是急劇增加,我們如何去減少能源的損耗做到節能減排?這就要求我們的產品有一個更高的效率,更低的成本。而對于一個高性能的系統來說,半導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新的逆向導通型IGBT。我們知道傳統的IGBT,二極管和IGBT是分開的兩個晶圓,而這一款新的逆向導通型IGBT是將二極管和IGBT集成在同一個晶圓上面,它們有相同的電流等級。新的逆向導通型IGBT引用了哪些技術呢?首先的話,它引入了場終止技術,也就是它大大的減小了晶圓的厚度,使它有一個非常低的飽和導通壓降,從而提高了整體的效率。第二點是引入了一個溝道柵技術,進一步減少了飽和導通壓降,因為飽和導通壓降是由載流子的濃度來決定,而引入溝道柵相當于為載流子引入了一個通道,使它的飽和導通壓將進一步減小,從而減小導通損耗。第三是引用了一個逆向導通型二極管,將這個二極管集成在IGBT里面可以大大減少它的體積。

  目前這種逆向導通型IGBT有兩種封裝形勢,一種是IPAK封裝,另外是DPAK封裝,電流有4安、6安、10安和15安四個等級。它主要的特點就是有非常低的價格,還有節省空間。半導體器件它的成本主要取決于兩個方面,一個是它的晶圓,減少晶圓的數量,從兩個晶圓減少到一個晶圓可以減少成本。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,同時減少封裝的成本,減少了封裝的話同樣會減少它的空間,但是減少了晶圓的話會不會對它的性能造成影響?首先我們來看一下,同樣它有一個非常低的飽和導通壓降,對它的性能絲毫沒有任何影響。另外可以通過改變門級驅動電阻,在寬范圍調節它的開通和關斷的時間,有一個非常好的EMI效果,非常平滑的開關波形,5us的短路保護能力,最高結溫可以達到175度。這個是這種逆向導通型IGBT的主要參數,這個是它的擊穿電壓,這個是它的電流,這是175度飽和導通壓降,這是開關的能力,這是短路保護的能力,這是它的門級驅動電壓,基本上對于一個200W的產品可以選擇4安的IGBT,600W的話可以選擇一個6安的,1000W可以選擇一個10安的,1500W的可以選擇15W的產品。

  

  從功率密度來說如果選用這種小封裝的IPARK產品去取代TO220封裝的話,面積可以減少75%,高度可以減少49%。而用這種DPARK封裝產品的話,如果去取代D2PARK這種產品,它的面積可以減少63%,高度同樣可以減少到49%。

  

  這是一個實際的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,同時它跟IGBT模塊來相比的話可以節省0.5個美金的成本,所以對于一些消費類市場低成本的產品這個相當重要的。

  

  總結一下IGBT的重要特點,一個是成本,因為它采用的是一個晶圓,所以它的成本有很大的優勢;另外因為減少了它的封裝,可以給PCB留下更多的空間,進一步提高產品的功率密度。同時它也有一個非常好的性能,非常低的飽和導通壓降,一個非常軟的開關特性對EMI非常有幫助,它還有一個很好的溫度特性,最高溫度可以達到175度。藍色曲線是逆向導通型IGBT和目前TO220封裝的飽和導通壓降的比較。這是用一個6安的產品在做比較,當這個電流在6安的時候可以看到飽和導通壓降非常的低。

  

  衡量一個IGBT的好壞有兩個非常重要的指標,一個就是它的飽和導通壓降,就是Vce(sat),另外一個就是開關損耗,也就是Eoff。對于低頻的應用來說,飽和導通壓降是占有絕對支配地位的,所以選擇這種RC-Drives的IGBT會是一個非常好的選擇,因為可以看到這種RC-Drives IGBT的飽和導通壓降是遠遠低于市面上的一些產品。這個是在一個無刷電機上面的損耗的分析。

  

  這個是25度損耗的時候,這個是175度損耗的時候,可以看到藍色的這根線,基本上它的損耗跟這個TO220封裝產品相差并不是很大。這個是在基于剛才基礎上做的一個損耗分析,首先頻率在4K赫茲的時候可以看到,這個淺藍色的就是二極管的開關損耗,這個是二極管的導通損耗,這個是IGBT的開關損耗,這個是IGBT的導通損耗。可以看到在4K的情況下導通損耗這一部分和這一部分是占了絕對支配地位的。所以對于一個低頻應用來說減少它的飽和導通壓降對于IGBT是相當的重要,當它的頻率升高的時候,它的開關損耗就會稍微升高一點。

  

 EMI也是大家非常頭痛的一個問題,也是非常關心的一個問題。逆向導通型IGBT同時優化了它的EMI的性能,它有一個非常好的開關,非常平滑的一個開關特性,不會有一個很大的振動,干擾。所以我們可以看到它的關斷和開通的時候dV/dt的現象,基本上在關斷的時候dV/dt基本上控制在一個10V/us的情況,而在開通的時候基本上也可以控制在—10V/us。

  

  再加上不同的驅動電阻,這個時候我們也對dV/dt進行了一個測試,然后可以看到基本上我們的dV/dt都比我們的競爭對手或者市面上的產品會優異很多。因為減少IGBT的dV/dt的話可以減少前級的EMI濾波器的要求,同樣也可以減少成本,所以這個產品不僅在本身的價格上面有優勢,同樣也可以整體的減少系統的成本。

  下面就是為了驗證這種逆向導通型IGBT在實際應用當中的一個表現,我們在一個洗衣機上面驗證了6安的IPARK的產品,在一個風機上面我們驗證了6安的DPARK的產品。這是一個實際的洗衣機的控制板,這種方式就是采用了夾子,然后把這個IGBT夾在散熱器上面。稍候我們會用這種IPARK的封裝對這種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產品,然后做一個效率還有溫度的檢測,通過這種熱電偶的方式來檢測它的表面溫度,來檢測它的結溫。因為它外面有一個夾子,我們沒有辦法用紅外相機來檢測它的溫度,所以我們采用了這種熱電偶的方式。這個是洗衣機的工作流程,首先的話是抽水,這個是洗滌,這個是漂洗,這個是甩干,整個20分鐘的流程當中它的溫度的表現,基本上它的最高溫度沒有超過90度,我們可以看到這個綠色和紅色有一點稍微小小的區別,這是因為它的散熱不一樣,IGBT的位置放在不一樣,所以會有一點不一樣,這個不用太過擔心。

  

  同時跟這種TO220的封裝的IGBT也做了一個溫度的比較,我們會發現TO220封裝的IGBT溫度會比逆向導通型IGBT會低10度到15度,但是這個對于IGBT沒有任何影響。為什么呢?因為通常這種TO220的封裝的IGBT最高結溫是150度,而逆向導通型IGBT是175度,所以它實際能力還是比這個要高,這是這種逆向導通型IGBT的優勢。為了進一步來確認一下這個溫度的應力,然后我們把這個測試放在一個密閉的環境當中再來看它的表現,就是說我們來開動洗衣機使它的環境溫度平衡在40度這個環境上,就是從25度上升到40度,然后再來檢測IGBT的溫度,我們仍然可以發現基本上它的最高溫度仍然沒有超過90度,所以對于一個結溫在175度的情況下,它有一個相當大的裕量。

                                     

  下面我們來總結一下這種IPARK封裝的IGBT在洗衣機當中的應用。基本我們這種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,但是它的最高結溫會比這種TO220的封裝會高25度,所以還是存在一個非常好的優勢。另外就是它有一個非常平衡的溫度特性,即使它的環境溫度升高的情況下它的結溫上升的幅度不會很明顯。下面我們會在一個風機上面來應證明DPARK封裝的逆向導通型IGBT,然后我們采用一個6安的逆向導通型IGBT,然后用一個Driver IC和一個MCU來做一個測試。這個是我們的實驗設備,這個是紅外相機檢測它的溫度。在一個200w的風機上面我們可以得到它的最高溫度始終不會超過75度,所以這是一個非常好的結果。

  下面跟大家介紹一下這兩種IGBT跟散熱器鉚接的方式,這是一個商業冰箱的壓縮機控制板,這是我們的DEMO板,我們怎么可以使這種DPARK封裝的IGBT有一個很好的散熱?我們有一個推薦的方式,當然大家可能有不同的方式,大家自己去不斷創新,我們這是拋磚引玉,僅供給大家參考。我們可以把這個板反并在一個比較大的散熱器上面去,然后用螺絲固定在上面。后面有一個圖表具體講述這個是怎么做上去的,在反面做一些過氣孔,這些過氣孔的特點的話就是可以很好的把這個熱散出去。因為我們知道一般這種PCB散熱銅片如果不露在空氣當中的話散熱不是很好的,當它有這些過氣孔的話可以跟散熱器有一個很好的導熱性,所以我們開了一些過氣孔,然后通過一個薄的硅膠片,把一個散熱器貼在上面,也可以用螺絲固定在上面去,這個都可以,一個總的方式就是這樣。另外的話這種IPARK封裝跟散熱器的鉚接可以用一個夾子,然后把這個IGBT放在這個夾子上面,然后用螺絲固定在上面,可以起到一個比較好的散熱效果。

  這種逆向導通型IGBT在實驗當中我們驗證了一下它的溫度,這個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的封裝在實際運用當中都沒有出現過任何的問題,包括波形、電流、溫度都是非常穩定的。剛才提到它的溫度雖然比TO220封裝的話溫度會高10到15度,但是最高結溫是175度,所以仍然存在一些優勢,剛才我們也推薦了一些如何去加強散熱的方式,當然大家可能有更好的方法。

                                       

   這個是英飛凌IGBT命名的方式,I就是英飛凌。因為英飛凌之前是從西門子獨立出來,所以一些老的產品可能還會沿用這種S開頭的。D是指它的定義,IGBT的類別,K就是這種硬開關的IGBT,H是軟開關的IGBT,G就是只有IGBT而沒有二極管的這種IGBT。我們有一款軟開關的IGBT是專門針對電磁爐的電磁感應加熱的應用,這一款也是相當的不錯,有機會大家可以嘗試一下。另外D是它的封裝形式,D是DPARK的封裝,W是TO240,P是TO220,04是它的一個電流等級,這個電流是在100度的情況下測出來的,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品或者是哪一種系列,然后R就是逆向導通型IGBT中的R2、R3。

  這個是我們的IGBT的產品線,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,都是用兩個晶圓來做,但是唯一這一款是用一個晶圓來做的。這個是Discrete IGBT在的一些應用。這種RC—Drives的IGBT可以應用在像洗衣機、洗碗器、吸塵器、空調、冰箱的壓縮機、伺服驅動、風扇還有水泵,我們傳統的Trench IGBT基本上所有的都可以應用在這上面。

 
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