- 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
- 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。
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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。
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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。
注：2010年4月10日，英飛凌在電子元件技術網舉辦的新型節能設計技術研討會上發表演講，根據演講內容，我們整理出該文章，下載演講資料，請點擊：http://www.longhushijia.cn/bbs/viewthread.php?tid=23692&extra=page%3D1
