利用安森美半導體IGBT實現高能效的高性能開關應用

如今，無論是用在工業領域還是民用產品的開關應用，絕緣柵雙極電晶體（IGBT）都可以提供有效的解決方案，以實現最終產品的高能效和高性能。在節能至上的市場上，電子設計人員首選可以實現高能效的元件，而且要針對不同應用選擇合適的IGBT。推動高能效創新的安森美半導體提供豐富的離散IGBT方案，廣泛用於電磁爐、不間斷電源(UPS )、太陽能逆變器和逆變電焊機等領域。
IGBT技術概述
IGBT有強耐能量衝擊能力和強耐短路電流能力(5至10微秒)。現有IGBT包括溝道非穿通型(NPT)、溝道場截止型(FS)第一代和溝道場截止型第二代IGBT等類型。隨著製造製程的進步，開始採用50微米晶圓及金屬背板，超薄晶圓及其背面處理製程減少了IGBT的導通和開關損耗。
　　　
對比溝道非穿通型和溝道場截止型IGBT可以發現，前者的電場強度在矽漂移區 (n-FZ)線性遞減到0，矽漂移區厚度與耐壓成線性正比，因此具有高導通壓降和高關斷損耗；後者用N緩衝層減少了矽漂移區的厚度，實現了超薄晶圓，從而實現了低導通壓降和低關斷損耗 (圖1)。

圖1：溝道非穿通型和溝道場截止型IGBT對比。
從技術趨勢看，6至8英寸晶圓的厚度在不斷縮減，從最初的250 μm到目前生產的100 μm和75 μm，還有50 μm和40 μm厚度正在研發當中。可以預期，今後IGBT的性能仍有望提高。
安森美半導體IGBT產品及應用市場
安森美半導體提供完善的IGBT產品系列，可以根據頻率、應用和電壓進行分類 (表1)，不同產品有不同的特性和應用範圍。

表1：安森美半導體IGBT產品系列
　　　
安森美半導體的29款場截止第一代IGBT中600伏 IGBT 性能接近或超過市場領先產品；新發佈的8款1200伏/1350伏用於電磁感應加熱的場截止型第二代IGBT，其性能領先於市場同類產品；還有新發佈的3款1200伏場截止型第二代通用IGBT，性能與市場同類產品相媲美。
　　　
在工業應用方面，離散IGBT的市場應用主要包括馬達驅動、逆變式電焊機、變頻驅動、功率因數修正，安森美半導體提供的主要產品有1200 V/ 15 A-40 A及600 V/ 30 A-50 A；用於不間斷電源、太陽能逆變器、高效功率轉換器應用的主要產品是600 V/30 A-50 A及1200 V/15 A-40 A；而用於家用電器，如電火鍋和電飯鍋、廚用電爐、空調機功率因數修正的主要產品有1200V/15A-40A、600V/30A-40A和600V/30A-50A。
　　　
安森美半導體同時提供相應的技術支援，如2千瓦馬達驅動測試系統、2千瓦電磁爐測試系統、3千瓦功率因數修正測試板、10千瓦中點鉗位轉換器，以及用於測試IGBT模組的100千瓦太陽能逆變器，350安培逆變式電焊機正在開發中。
安森美半導體IGBT產品應用示例
1) 電磁感應加熱
安森美半導體的IGBT採用溝道場截止製程，以合理的價格提供可靠性和優良的開關性能。其600伏30安培和40安培場截止型第一代IGBT導通電壓低、開關損耗小，專門為半橋諧振式電磁感應加熱裝置設計，產品包括NGTB40N60IHLWG和NGTB30N60IHLWG；其1200伏15安培到40安培場截止型第一代IGBT導通電壓低、開關損耗小，專門為單端諧振式電磁感應加熱裝置設計，產品包括NGTB15N120IHLWG、NGTB20N120IHLWG、NGTB25N120IHLWG、NGTB30N120IHLWG、NGTB40N120IHLWG、NGTB20N120IHSWG和NGTB30N120IHSWG。兩者均可降低並聯續流二極體的正嚮導通電壓。而近期推出的用於電磁感應加熱的15安培到40安培的1200伏和1350伏第二代場截止型IGBT系列可提供更低的開關損耗，工作可靠，適用於各類諧振和軟開關應用，典型產品包括NGTB30N120IHR、NGTB30N135IHR、NGTB40N120IHR和NGTB40N135IHR等。這些元件的優點是提升系統開關效率、低功率損耗和節省線路板空間。安森美半導體為此開發了用於IGBT測試的2千瓦單端諧振電磁爐測試平台。

圖2：600伏和1200伏電磁感應加熱電路。
　　　
2) 電機驅動
安森美半導體的通用型600伏非穿通型IGBT包括15到50安培的一系列型號(包括NGTB15N60EG、NGTB30N60FWG和NGTB50N60FWB等)，以及通用型1200伏IGBT包括15到40安培的一系列型號 (採用第一代場截止製程，包括NGTB15N120LWG、NGTB20N120LWG、NGTB25N120LWG、NGTB30N120WG和NGTB40N120LWG)，可降低並聯續流二極體的正嚮導通電壓，具有導通電壓低、開關損耗小、提升系統效率、節省線路板空間等優點，廣泛用於包括馬達驅動、各種逆變器、變頻驅動、泵、空氣交換機等工業領域的硬開關電路。安森美半導體開發了用於IGBT測試三相全橋2千瓦馬達驅動系統測試平台。

圖3：馬達驅動系統測試平台
　　
3) 功率因數修正
安森美半導體的600伏專用於功率因數修正和升壓的600伏IGBT採用第一代場截止製程，可以低廉價格實現可靠工作、低導通電壓和低開關損耗，提升系統開關效率，節省線路板空間，包括NGTG50N60FWG和NGTG30N60FWG等。基於這類應用的特殊性，這類IGBT不含並聯續流二極體，適用於太陽能逆變器升壓轉換器、空調機空濾引述修正和不間斷電源功率因數修正等低頻硬開關或是高頻軟開關電路。安森美半導體開發的單相3千瓦功率因數修正系統可用於IGBT的測試。

圖4：功率因數修正測試曲線
　　
4) 逆變式電焊機
安森美半導體還提供一系列可用於逆變式電焊機的600伏和1200伏從15到50安培IGBT(包括NGTB50N120FL2和NGTB50N60FLWG等)，採用場截止第一代製程和場截止第二代製程，這些IGBT有較低的導通壓降和開關損耗，可降低並聯續流二極體正嚮導通壓，提升系統開關效率，低功率損耗，節省線路板空間，適用於全橋式逆變電焊機、半橋式逆變電焊機、電焊機功率因數修正、高頻電焊機、鐳射切割機等高速開關應用。

圖5：逆變式電焊機測試支持。
　　
5) 不間斷電源和太陽能逆變器
安森美半導體用於不間斷電源和太陽能逆變器 (包括中點鉗位式逆變器) 的1200伏和600伏IGBT(包括NGTB50N120FL2和NGTB50N60FLWG等)採用場截止第一代和場截止第二代製程，價格低廉，工作可靠，導通電壓低，開關損耗小，並聯的高速續流二極體正嚮導通電壓低。這些元件適用於電池充電器、不間斷電源、功率因數修正、全橋和半橋式太陽能逆變器/變換器、中點鉗位式逆變器、升壓變換器半/全橋拓撲結構。安森美半導體提供不同功率的逆變器用來測試離散IGBT和IGBT模組。

圖6：中點鉗位式逆變器。
　　
安森美半導體的客戶已成功使用其場截止型第一代IGBTNGTB50N60FLWG開發出了各種應用，如功率10 千伏安、功率因數0.9的不間斷電源，以及採用半橋諧振拓撲結構的1450瓦廚用電爐。客戶認為，安森美半導體場截止型第一代IGBT的性能達到了市場上最好的性能；其IGBT在電磁爐上的溫升低於其他2款IGBT。
　　
未來，安森美半導體將推出超過20款第四代(場截止型第二代)IGBT以及專用於逆變式電焊機IGBT，並繼續開發IGBT模組。無論客戶的產品需求如何，安森美半導體總有一款高性能、高能效的IGBT方案能夠滿足要求，幫助設計工程師設計出高能效及高性能的產品。

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