傳統的IGBT(絕緣柵雙極電晶體)通常用於要求高電壓和高電流以及相對緩慢的切換頻率等應用上。當切換頻率低時，IGBT固有的低傳導損耗源自IGBT中少數載體工作產生的低VCE(on)(集-射極飽和電壓)，其在價值上已經超過了它貧乏的切換性能，使獲得高的整體操作效率成為可能。
本文將討論一種新興的損耗阻滯溝塹(depletion-stop trench)IGBT技術，將低切換損耗和傳統IGBT的低傳導損耗優點結合起來，改善2.5kW以下變頻器的應用。
IGBT損耗機制
最新一代的IGBT，受益於損耗阻滯溝塹技術，滿足了對低傳導損耗及低切換損耗的要求，並將均方根電流較以前的元件提升了60%之多。這導致了更小的離散IGBT和IGBT模組的產生，並使設計者能夠大幅地減小散熱器的尺寸。
關閉元件需要閘極-射極電壓低於臨界電壓，由此引發的漂移區孔穴緩慢擴散就會導致IGBT切換損耗。孔穴複合或電壓梯度會消除這些損耗。直到這個過程完成，IGBT都會有一個尾電流，尾電流的存在降低了切換速度同時增加了切換損耗。PT(穿透)型IGBT在漂移區附近引入一個緩衝層以便在關閉元件的時候迅速吸收剩餘的孔穴，從而消除額外的尾電流。然而，這種改進的切換性能是以犧牲更高的VCE(on)為代價的。另外，穿透型IGBT不具備多數馬達控制應用所要求的抗短路能力。
損耗阻滯溝塹IGBT
與傳統的平面型IGBT結構相比，這種失去的傳導性能可以藉由採用溝塹結構增加通道密度而重新獲得。提高VCE(on)性能的其他因素包括提高累積層注入及消除平面型IGBT結構中固有的寄生JFET電阻。由於n-基極厚度的減小，對溝壑IGBT引入低劑量場欄層能夠更好地平衡VCE(on)和切換損耗。
新的損耗阻滯層允許n-基極厚度進一步變薄，獲得更高的電晶體增益及更快的切換速度。另外，最佳化的元件顯示出高效率的陽極性質，能加強對少數載體射入的控制，使關閉元件時的尾電流較低，從而進一步降低關閉損耗。
這種新的薄晶片，損耗阻滯溝塹IGBT技術能夠提高效率，同時維持流暢的關閉特性，並且改進硬切換應用所要求的SOA(安全工作區)。相比平面型PT型和NPT型IGBT，VCE(on)和ETS(總切換能量)都要低很多。這種低飽和電壓和低總切換能量的組合減少了能量耗散，並且改進了在切換頻率高達30kHz的應用中的電流控制。
這些元件還可以提供更大的功率密度並縮小散熱器尺寸或者完全地去掉散熱器。
圖1顯示溝塹附近的射極N+區。該製程在溝壁上生成一個氧化層，然後沉積多晶矽，以將溝槽填滿。基極區接觸和溝道分別經由P-基極擴散和大劑量P+雜質植入形成。深槽延伸到P-基極接合之下，在N+射極與N-漂移區之間形成一個閘偏壓感應溝道。晶片後方的P+區提高了陽極效率。該元件構造與溝塹結構的高溝道密度相結合，在漂移區內產生了高載體密度和低正向壓降。
圖1：損耗阻滯溝塹IGBT的橫截面示意圖
新的損耗阻滯溝塹技術已被開發用來最大限度地提升IGBT在家電和工業傳動應用中的切換性能。元件在漂移區內對載體壽命進行最佳化，並優化陽極附近損耗阻滯區內的載體壽命及摻雜濃度。漏電流和元件崩潰電壓都隨漂移區內的壽命降低而增加。另外，藉使用70微米厚的晶圓允許輕微地摻雜陽極以幫助減少總儲存電荷，從而提高元件的切換性能，尤其是在高溫條件下。
以這樣的方式對結構、幾何形狀進行優化和摻雜，獲得了比之前的PT型和NPT型IGBT元件更低的VCE(on)和切換損耗。在實際應用中，損耗阻滯溝塹IGBT降低了損耗，並能產生比上一代元件多達60%的均方根電流。對於一個給定電流，這些元件所需散熱器尺寸大概小50%。該項技術不僅適用於離散型IGBT，還適用於不斷湧現的將600V IGBT與驅動電路結合起來，簡化應用馬達控制設計的智慧功率模組家族產品，使這樣的整合型模組的尺寸縮減四分之一。
性能比較
新的600V溝塹IGBT提供比上一代PT型和NPT型元件更低的VCE(on)，從而造成更低的傳導損耗。各個切換特點的比較再一次表明，損耗阻滯IGBT的操作產生的損耗比上一代元件更少。
設計者無需更改其閘極驅動電路，因為這些元件的臨界和最大閘極電壓值對於穿透和非穿透元件都是在同樣的範圍內。溝塹IGBT還具有更低的總閘極電荷、更短的傳播延遲和更短的導通和關斷轉換時間。因而不需要修改控制器的死區時間或最小脈衝寬度設置。
較快速的切換帶來變頻器低邊元件的假性導通危險，快速的dV/dt暫態過程就有可能會導致這種現象。假性導通能夠產生擊穿電流，這就有可能會削弱變頻器可靠性並引發早期故障。然而，損耗阻滯溝塹IGBT具有高的閘-射極電容(CGE)和反向傳輸電容(CRES)比，可以避免高dV/dt感應的假性導通。這保證了強固性能，即使是在高dV/dt切換的情況下。
根據正向電壓，切換能量和RMS均方根電流與頻率特性的對比，溝塹IGBT元件比平面型IGBT具有更好的性能。無疑地，損耗阻滯溝塹IGBT元件具有更低的傳導和切換能量損耗，使高切換頻率下運行的變頻器應用具有更高的效率。
降低應力以改進可靠性
損耗阻滯溝塹IGBT的許多自身特點帶來了諸多好處，使運動控制應用更具強固性。其中一例是IGBT在短路情況下的順暢關斷特性，降低IGBT上的電壓尖峰和應力。
另一個好處在於短路期間，沒有閘極過充電。較早的IGBT結構就會發生這種現象，導致過電流尖峰，對元件產生應力，並削弱變頻器的可靠性。溝塹IGBT的方形反偏安全工作區(RBSOA)特性也通過允許嚴重負載下的安全切換來提高強固性。這與高峰關斷能力和好的短路率一起，將使更加穩健可靠的變頻器適用於各式各樣的應用。
本文將討論一種新興的損耗阻滯溝塹(depletion-stop trench)IGBT技術，將低切換損耗和傳統IGBT的低傳導損耗優點結合起來，改善2.5kW以下變頻器的應用。
IGBT損耗機制
最新一代的IGBT，受益於損耗阻滯溝塹技術，滿足了對低傳導損耗及低切換損耗的要求，並將均方根電流較以前的元件提升了60%之多。這導致了更小的離散IGBT和IGBT模組的產生，並使設計者能夠大幅地減小散熱器的尺寸。
關閉元件需要閘極-射極電壓低於臨界電壓，由此引發的漂移區孔穴緩慢擴散就會導致IGBT切換損耗。孔穴複合或電壓梯度會消除這些損耗。直到這個過程完成，IGBT都會有一個尾電流，尾電流的存在降低了切換速度同時增加了切換損耗。PT(穿透)型IGBT在漂移區附近引入一個緩衝層以便在關閉元件的時候迅速吸收剩餘的孔穴，從而消除額外的尾電流。然而，這種改進的切換性能是以犧牲更高的VCE(on)為代價的。另外，穿透型IGBT不具備多數馬達控制應用所要求的抗短路能力。
損耗阻滯溝塹IGBT
與傳統的平面型IGBT結構相比，這種失去的傳導性能可以藉由採用溝塹結構增加通道密度而重新獲得。提高VCE(on)性能的其他因素包括提高累積層注入及消除平面型IGBT結構中固有的寄生JFET電阻。由於n-基極厚度的減小，對溝壑IGBT引入低劑量場欄層能夠更好地平衡VCE(on)和切換損耗。
新的損耗阻滯層允許n-基極厚度進一步變薄，獲得更高的電晶體增益及更快的切換速度。另外，最佳化的元件顯示出高效率的陽極性質，能加強對少數載體射入的控制，使關閉元件時的尾電流較低，從而進一步降低關閉損耗。
這種新的薄晶片，損耗阻滯溝塹IGBT技術能夠提高效率，同時維持流暢的關閉特性，並且改進硬切換應用所要求的SOA(安全工作區)。相比平面型PT型和NPT型IGBT，VCE(on)和ETS(總切換能量)都要低很多。這種低飽和電壓和低總切換能量的組合減少了能量耗散，並且改進了在切換頻率高達30kHz的應用中的電流控制。
這些元件還可以提供更大的功率密度並縮小散熱器尺寸或者完全地去掉散熱器。
圖1顯示溝塹附近的射極N+區。該製程在溝壁上生成一個氧化層，然後沉積多晶矽，以將溝槽填滿。基極區接觸和溝道分別經由P-基極擴散和大劑量P+雜質植入形成。深槽延伸到P-基極接合之下，在N+射極與N-漂移區之間形成一個閘偏壓感應溝道。晶片後方的P+區提高了陽極效率。該元件構造與溝塹結構的高溝道密度相結合，在漂移區內產生了高載體密度和低正向壓降。
圖1：損耗阻滯溝塹IGBT的橫截面示意圖
新的損耗阻滯溝塹技術已被開發用來最大限度地提升IGBT在家電和工業傳動應用中的切換性能。元件在漂移區內對載體壽命進行最佳化，並優化陽極附近損耗阻滯區內的載體壽命及摻雜濃度。漏電流和元件崩潰電壓都隨漂移區內的壽命降低而增加。另外，藉使用70微米厚的晶圓允許輕微地摻雜陽極以幫助減少總儲存電荷，從而提高元件的切換性能，尤其是在高溫條件下。
以這樣的方式對結構、幾何形狀進行優化和摻雜，獲得了比之前的PT型和NPT型IGBT元件更低的VCE(on)和切換損耗。在實際應用中，損耗阻滯溝塹IGBT降低了損耗，並能產生比上一代元件多達60%的均方根電流。對於一個給定電流，這些元件所需散熱器尺寸大概小50%。該項技術不僅適用於離散型IGBT，還適用於不斷湧現的將600V IGBT與驅動電路結合起來，簡化應用馬達控制設計的智慧功率模組家族產品，使這樣的整合型模組的尺寸縮減四分之一。
性能比較
新的600V溝塹IGBT提供比上一代PT型和NPT型元件更低的VCE(on)，從而造成更低的傳導損耗。各個切換特點的比較再一次表明，損耗阻滯IGBT的操作產生的損耗比上一代元件更少。
設計者無需更改其閘極驅動電路，因為這些元件的臨界和最大閘極電壓值對於穿透和非穿透元件都是在同樣的範圍內。溝塹IGBT還具有更低的總閘極電荷、更短的傳播延遲和更短的導通和關斷轉換時間。因而不需要修改控制器的死區時間或最小脈衝寬度設置。
較快速的切換帶來變頻器低邊元件的假性導通危險，快速的dV/dt暫態過程就有可能會導致這種現象。假性導通能夠產生擊穿電流，這就有可能會削弱變頻器可靠性並引發早期故障。然而，損耗阻滯溝塹IGBT具有高的閘-射極電容(CGE)和反向傳輸電容(CRES)比，可以避免高dV/dt感應的假性導通。這保證了強固性能，即使是在高dV/dt切換的情況下。
根據正向電壓，切換能量和RMS均方根電流與頻率特性的對比，溝塹IGBT元件比平面型IGBT具有更好的性能。無疑地，損耗阻滯溝塹IGBT元件具有更低的傳導和切換能量損耗，使高切換頻率下運行的變頻器應用具有更高的效率。
降低應力以改進可靠性
損耗阻滯溝塹IGBT的許多自身特點帶來了諸多好處，使運動控制應用更具強固性。其中一例是IGBT在短路情況下的順暢關斷特性，降低IGBT上的電壓尖峰和應力。
另一個好處在於短路期間，沒有閘極過充電。較早的IGBT結構就會發生這種現象，導致過電流尖峰，對元件產生應力，並削弱變頻器的可靠性。溝塹IGBT的方形反偏安全工作區(RBSOA)特性也通過允許嚴重負載下的安全切換來提高強固性。這與高峰關斷能力和好的短路率一起，將使更加穩健可靠的變頻器適用於各式各樣的應用。
