二极管+IGBT：新架构能带来什么新应用
技术特点： 逆向导通型IGBT将二极管和IGBT集成在同一个晶片里 节省空间，价格低 175度的结温，EMI效果良好
应用领域： 洗衣机、洗碗器、吸尘器、空调、冰箱的压缩机、伺服驱动、风扇 由于现在经济的快速发展，能源的消耗也是急剧增加，我们如何去减少能源的损耗做到节能减排？这就要求我们的产品有一个更高的效率，更低的成本。而对于一个高性能的系统来说，半导体器件的选择尤为重要。今天我给大家介绍的就是英飞凌一个新的逆向导通型IGBT。我们知道传统的IGBT，二极管和IGBT是分开的两个晶圆，而这一款新的逆向导通型IGBT是将二极管和IGBT集成在同一个晶圆上面，它们有相同的电流等级。新的逆向导通型IGBT引用了哪些技术呢？首先的话，它引入了场终止技术，也就是它大大的减小了晶圆的厚度，使它有一个非常低的饱和导通压降，从而提高了整体的效率。第二点是引入了一个沟道栅技术，进一步减少了饱和导通压降，因为饱和导通压降是由载流子的浓度来决定，而引入沟道栅相当于为载流子引入了一个通道，使它的饱和导通压将进一步减小，从而减小导通损耗。第三是引用了一个逆向导通型二极管，将这个二极管集成在IGBT里面可以大大减少它的体积。 目前这种逆向导通型IGBT有两种封装形势，一种是IPAK封装，另外是DPAK封装，电流有4安、6安、10安和15安四个等级。它主要的特点就是有非常低的价格，还有节省空间。半导体器件它的成本主要取决于两个方面，一个是它的晶圆，减少晶圆的数量，从两个晶圆减少到一个晶圆可以减少成本。另外的话，这种T0220的封装还有这种D2PARK封装可以减少成IPARK封装和DPARK封装，同时减少封装的成本，减少了封装的话同样会减少它的空间，但是减少了晶圆的话会不会对它的性能造成影响？首先我们来看一下，同样它有一个非常低的饱和导通压降，对它的性能丝毫没有任何影响。另外可以通过改变门级驱动电阻，在宽范围调节它的开通和关断的时间，有一个非常好的EMI效果，非常平滑的开关波形，5us的短路保护能力，最高结温可以达到175度。这个是这种逆向导通型IGBT的主要参数，这个是它的击穿电压，这个是它的电流，这是175度饱和导通压降，这是开关的能力，这是短路保护的能力，这是它的门级驱动电压，基本上对于一个200W的产品可以选择4安的IGBT，600W的话可以选择一个6安的，1000W可以选择一个10安的，1500W的可以选择15W的产品。
从功率密度来说如果选用这种小封装的IPARK产品去取代TO220封装的话，面积可以减少75%，高度可以减少49%。而用这种DPARK封装产品的话，如果去取代D2PARK这种产品，它的面积可以减少63%，高度同样可以减少到49%。
这是一个实际的PCP板上的IGBT的图，我们看到如果用D2PARK的话，它两颗的面积大概在2.5厘米，而如果使用DPARK封装的话可以减少到1.5厘米左右，同时它跟IGBT模块来相比的话可以节省0.5个美金的成本，所以对于一些消费类市场低成本的产品这个相当重要的。
总结一下IGBT的重要特点，一个是成本，因为它采用的是一个晶圆，所以它的成本有很大的优势；另外因为减少了它的封装，可以给PCB留下更多的空间，进一步提高产品的功率密度。同时它也有一个非常好的性能，非常低的饱和导通压降，一个非常软的开关特性对EMI非常有帮助，它还有一个很好的温度特性，最高温度可以达到175度。蓝色曲线是逆向导通型IGBT和目前TO220封装的饱和导通压降的比较。这是用一个6安的产品在做比较，当这个电流在6安的时候可以看到饱和导通压降非常的低。
衡量一个IGBT的好坏有两个非常重要的指标，一个就是它的饱和导通压降，就是Vce（sat），另外一个就是开关损耗，也就是Eoff。对于低频的应用来说，饱和导通压降是占有绝对支配地位的，所以选择这种RC-Drives的IGBT会是一个非常好的选择，因为可以看到这种RC-Drives IGBT的饱和导通压降是远远低于市面上的一些产品。这个是在一个无刷电机上面的损耗的分析。
这个是25度损耗的时候，这个是175度损耗的时候，可以看到蓝色的这根线，基本上它的损耗跟这个TO220封装产品相差并不是很大。这个是在基于刚才基础上做的一个损耗分析，首先频率在4K赫兹的时候可以看到，这个浅蓝色的就是二极管的开关损耗，这个是二极管的导通损耗，这个是IGBT的开关损耗，这个是IGBT的导通损耗。可以看到在4K的情况下导通损耗这一部分和这一部分是占了绝对支配地位的。所以对于一个低频应用来说减少它的饱和导通压降对于IGBT是相当的重要，当它的频率升高的时候，它的开关损耗就会稍微升高一点。
EMI也是大家非常头痛的一个问题，也是非常关心的一个问题。逆向导通型IGBT同时优化了它的EMI的性能，它有一个非常好的开关，非常平滑的一个开关特性，不会有一个很大的振动，干扰。所以我们可以看到它的关断和开通的时候dV/dt的现象，基本上在关断的时候dV/dt基本上控制在一个10V/us的情况，而在开通的时候基本上也可以控制在—10V/us。
再加上不同的驱动电阻，这个时候我们也对dV/dt进行了一个测试，然后可以看到基本上我们的dV/dt都比我们的竞争对手或者市面上的产品会优异很多。因为减少IGBT的dV/dt的话可以减少前级的EMI滤波器的要求，同样也可以减少成本，所以这个产品不仅在本身的价格上面有优势，同样也可以整体的减少系统的成本。 下面就是为了验证这种逆向导通型IGBT在实际应用当中的一个表现，我们在一个洗衣机上面验证了6安的IPARK的产品，在一个风机上面我们验证了6安的DPARK的产品。这是一个实际的洗衣机的控制板，这种方式就是采用了夹子，然后把这个IGBT夹在散热器上面。稍候我们会用这种IPARK的封装对这种TO220的封装做一些替代，然后比较一下他们的不同。就是说我们把其中的一路替代成IPARK产品，然后做一个效率还有温度的检测，通过这种热电偶的方式来检测它的表面温度，来检测它的结温。因为它外面有一个夹子，我们没有办法用红外相机来检测它的温度，所以我们采用了这种热电偶的方式。这个是洗衣机的工作流程，首先的话是抽水，这个是洗涤，这个是漂洗，这个是甩干，整个20分钟的流程当中它的温度的表现，基本上它的最高温度没有超过90度，我们可以看到这个绿色和红色有一点稍微小小的区别，这是因为它的散热不一样，IGBT的位置放在不一样，所以会有一点不一样，这个不用太过担心。
同时跟这种TO220的封装的IGBT也做了一个温度的比较，我们会发现TO220封装的IGBT温度会比逆向导通型IGBT会低10度到15度，但是这个对于IGBT没有任何影响。为什么呢？因为通常这种TO220的封装的IGBT最高结温是150度，而逆向导通型IGBT是175度，所以它实际能力还是比这个要高，这是这种逆向导通型IGBT的优势。为了进一步来确认一下这个温度的应力，然后我们把这个测试放在一个密闭的环境当中再来看它的表现，就是说我们来开动洗衣机使它的环境温度平衡在40度这个环境上，就是从25度上升到40度，然后再来检测IGBT的温度，我们仍然可以发现基本上它的最高温度仍然没有超过90度，所以对于一个结温在175度的情况下，它有一个相当大的裕量。 下面我们来总结一下这种IPARK封装的IGBT在洗衣机当中的应用。基本我们这种IPARK的IGBT是可以完全取代TO220的这种IGBT。虽然它的温度有比这种TO220的封装要高上10到15度，但是它的最高结温会比这种TO220的封装会高25度，所以还是存在一个非常好的优势。另外就是它有一个非常平衡的温度特性，即使它的环境温度升高的情况下它的结温上升的幅度不会很明显。下面我们会在一个风机上面来应证明DPARK封装的逆向导通型IGBT，然后我们采用一个6安的逆向导通型IGBT，然后用一个Driver IC和一个MCU来做一个测试。这个是我们的实验设备，这个是红外相机检测它的温度。在一个200w的风机上面我们可以得到它的最高温度始终不会超过75度，所以这是一个非常好的结果。 下面跟大家介绍一下这两种IGBT跟散热器铆接的方式，这是一个商业冰箱的压缩机控制板，这是我们的DEMO板，我们怎么可以使这种DPARK封装的IGBT有一个很好的散热？我们有一个推荐的方式，当然大家可能有不同的方式，大家自己去不断创新，我们这是抛砖引玉，仅供给大家参考。我们可以把这个板反并在一个比较大的散热器上面去，然后用螺丝固定在上面。后面有一个图表具体讲述这个是怎么做上去的，在反面做一些过气孔，这些过气孔的特点的话就是可以很好的把这个热散出去。因为我们知道一般这种PCB散热铜片如果不露在空气当中的话散热不是很好的，当它有这些过气孔的话可以跟散热器有一个很好的导热性，所以我们开了一些过气孔，然后通过一个薄的硅胶片，把一个散热器贴在上面，也可以用螺丝固定在上面去，这个都可以，一个总的方式就是这样。另外的话这种IPARK封装跟散热器的铆接可以用一个夹子，然后把这个IGBT放在这个夹子上面，然后用螺丝固定在上面，可以起到一个比较好的散热效果。 这种逆向导通型IGBT在实验当中我们验证了一下它的温度，这个温度特性是非常好的，基本上有很大的余量。同样两种IPARK和DPARK的封装在实际运用当中都没有出现过任何的问题，包括波形、电流、温度都是非常稳定的。刚才提到它的温度虽然比TO220封装的话温度会高10到15度，但是最高结温是175度，所以仍然存在一些优势，刚才我们也推荐了一些如何去加强散热的方式，当然大家可能有更好的方法。
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