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传统的IGBT(绝缘栅极型功率管)通常应用在要求高电压和高电流等级，以及相对缓慢的开关频率的场合。当开关频率低时，IGBT固有的低传导损耗源自IGBT中少数载流子工作产生的低VCE(on)(集电极一发射极饱和电压)，其在价值上已经超过了它贫乏的开关性能，使获得高的整体操作效率成为可能。
本文将讨论一种新兴的损耗阻滞沟堑(depletion-stop trench)IGBT技术，将低开关损耗和传统IGBT的低传导损耗优点结合起来，改进次级2.5kw逆变器的应用。
IGBT损耗机制
最新一代的IGBT，受益于损耗阻滞沟堑技术，满足了对低传导损耗及低开关损耗的要求，并将均方根电流较以前的元件提升了60％之多。这导致了更小的离散IGBT和IGBT模块的产生，并使设计者能够极大地减小散热器的尺寸。
关闭元件需要门极一发射极电压低于阈值电压，由此引发的漂移区空穴缓慢扩散就会导致IGBT开关损耗。空穴复合或电压梯度会消除这些损耗。直到这个过程完成，IGBT都会有一个尾电流，尾电流的存在降低了开关速度同时增加了开关损耗。PT(穿透)型IGBT在漂移区附近引入一个缓冲层以便在关闭元件的时候迅速吸收剩余的空穴，从而消除额外的尾电流。然而，这种改进的开关性能是以牺牲更高的VCE(on)为代价的。另外，穿透型IGBT不具备多数电机控制应用所要求的抗短路能力。
损耗阻滞沟堑IGBT
与传统的平面型IGBT结构相比，这种失去的传导性能可以通过采用沟堑结构增加沟道密度而重新获得。提高VCE(0n)性能的其他因素包括提高累积层注入及消除平面型IGBT结构中固有的寄生JFET电阻。由于n-基极厚度的减小，对沟壑IGBT引入低剂量场栏层能够更好地平衡VCE(on)和开关损耗。
新的损耗阻滞层允许n-基极厚度进一步变薄，获得更高的晶体管增益及更快的开关速度。另外，优化后的元件显示出高效的阳极性质，能加强对少数载流子射入的控制，使关闭元件时的尾电流较低，从而进一步降低关闭损耗。
这种新的薄晶片，损耗阻滞沟堑IGBT技术能够提高效率，同时维持流畅的关闭特性，并且改进硬开关应用所要求的SOA(安全工作区)。相比平面型PT型和NPT型IGBT，VCE(on)和ETS(总开关能量)都要低很多。这种低饱和电压和低总开关能量的组合减少了能量耗散，并且改进了在开关频率高达30kHz的应用中的电流控制。
这些元件还可以提供更大的功率密度并缩小散热器尺寸或者完全地去掉散热器。
图1显示沟堑附近的发射器N+区。该制造工艺在沟壁上生成一个氧化层，然后沉积多晶硅，以将沟槽填满。基区接触和沟道分别通过p-基扩散和大剂量P+杂质注入形成。深槽延伸到p-基之下，在Na-发射器与N-漂移区之间形成一个栅偏压感应沟道。晶片后方的P+区提高了阳极效率。该元件构造与沟堑结构的高沟道密度相结合，在漂移区内产生了高载流子密度和低正向压降。
新的损耗阻滞沟堑技术已被开发用来最大限度提升IGBT在应用和工业传动应用中的开关性能。元件在漂移区内对载流子寿命进行优化，并优化阳极附近损耗阻滞区内的载流子寿命及掺杂浓度。漏电流和元件击穿电压都随漂移区内的寿命降低而增加。
另外，使用了一个70μm厚的晶片，允许轻微地掺杂阳极以帮助减少总存储电荷，从而提高元件的开关性能，尤其是在高温条件下。
以这样的方式对结构、几何形状进行优化和掺杂，获得了比之前的PT型和NPT型IGBT元件更低的VCE(on)和开关损耗。在实际应用中，损耗阻滞沟堑IGBT降低了损耗，并能产生比上一代元件多达60％的均方根电流。对于一个给定电流，这些元件所需散热器尺寸大概小50％。该项技术不仅适用于离散型IGBT，还适用于不断涌现的将600V IGBT与驱动电路结合起来，简化应用电机控制设计的智能功率模块家族产品，使这样的集成模块的尺寸缩减1/4。
性能比较
新的600V沟堑IGBT提供比上一代PT型和NPT型元件更低的VCE(on)，从而造成更低的传导损耗(图2)。各个开关特点的比较再一次表明，损耗阻滞IGBT的操作产生的损耗比上一代元件更少。
设计者无需更改其栅极驱动电路，因为这些元件的阈值和最大栅极电压值对于穿透和非穿透设备都是在同样的范围内。沟堑IGBT还具有更低的总栅极电荷、更短的传播延迟和更短的导通和关断转换时间。因而不需要修改控制器的死区时间或最小脉冲宽度设置。
较快速的开关带来逆变器低边元件的假性导通危险，快速的dV/dt瞬态过程就有可能会导致这种现象。假性导通能够产生击穿电流，这就有可能会削弱逆变器可靠性并引发早期故障。然而，损耗阻滞沟堑IGBT具有高的门极一发射极电容(CGE)和反向传输电容(CRES)比，可以避免高dV/dt感应的假性导通。这保证了鲁棒性能，即使是在高dV/dt开关的情况下。
根据正向电压，开关能量和均方根电流与频率特性的对比，沟堑IGBT元件比平面型IGBT具有更好的性能。无疑，损耗阻滞沟堑IGBT元件具有更低的传导和开关能量损耗，使高开关频率下运行的逆变器应用具有更高的效率。
降低应力以改进可靠性
损耗阻滞沟堑IGBT的许多自身特点带来了诸多好处，使运动控制应用更具鲁棒性。其中一例是IGBT在短路情况下的顺畅关断特性，降低IGBT上的电压尖峰和应力。
另一个好处在于短路期间，没有门极过充电。较早的IGBT结构就会发生这种现象，导致过电流尖峰，对元件产生应力，并削弱逆变器的可靠性。沟堑IGBT的方形反偏安全工作区(RBSOA)特性也通过允许严重负载下的安全开关来提高鲁棒性。这与高峰关断能力和好的短路率一起，将使更加稳健可靠的逆变器适用于各种各样的应用。
本文将讨论一种新兴的损耗阻滞沟堑(depletion-stop trench)IGBT技术，将低开关损耗和传统IGBT的低传导损耗优点结合起来，改进次级2.5kw逆变器的应用。
IGBT损耗机制
最新一代的IGBT，受益于损耗阻滞沟堑技术，满足了对低传导损耗及低开关损耗的要求，并将均方根电流较以前的元件提升了60％之多。这导致了更小的离散IGBT和IGBT模块的产生，并使设计者能够极大地减小散热器的尺寸。
关闭元件需要门极一发射极电压低于阈值电压，由此引发的漂移区空穴缓慢扩散就会导致IGBT开关损耗。空穴复合或电压梯度会消除这些损耗。直到这个过程完成，IGBT都会有一个尾电流，尾电流的存在降低了开关速度同时增加了开关损耗。PT(穿透)型IGBT在漂移区附近引入一个缓冲层以便在关闭元件的时候迅速吸收剩余的空穴，从而消除额外的尾电流。然而，这种改进的开关性能是以牺牲更高的VCE(on)为代价的。另外，穿透型IGBT不具备多数电机控制应用所要求的抗短路能力。
损耗阻滞沟堑IGBT
与传统的平面型IGBT结构相比，这种失去的传导性能可以通过采用沟堑结构增加沟道密度而重新获得。提高VCE(0n)性能的其他因素包括提高累积层注入及消除平面型IGBT结构中固有的寄生JFET电阻。由于n-基极厚度的减小，对沟壑IGBT引入低剂量场栏层能够更好地平衡VCE(on)和开关损耗。
新的损耗阻滞层允许n-基极厚度进一步变薄，获得更高的晶体管增益及更快的开关速度。另外，优化后的元件显示出高效的阳极性质，能加强对少数载流子射入的控制，使关闭元件时的尾电流较低，从而进一步降低关闭损耗。
这种新的薄晶片，损耗阻滞沟堑IGBT技术能够提高效率，同时维持流畅的关闭特性，并且改进硬开关应用所要求的SOA(安全工作区)。相比平面型PT型和NPT型IGBT，VCE(on)和ETS(总开关能量)都要低很多。这种低饱和电压和低总开关能量的组合减少了能量耗散，并且改进了在开关频率高达30kHz的应用中的电流控制。
这些元件还可以提供更大的功率密度并缩小散热器尺寸或者完全地去掉散热器。
图1显示沟堑附近的发射器N+区。该制造工艺在沟壁上生成一个氧化层，然后沉积多晶硅，以将沟槽填满。基区接触和沟道分别通过p-基扩散和大剂量P+杂质注入形成。深槽延伸到p-基之下，在Na-发射器与N-漂移区之间形成一个栅偏压感应沟道。晶片后方的P+区提高了阳极效率。该元件构造与沟堑结构的高沟道密度相结合，在漂移区内产生了高载流子密度和低正向压降。
新的损耗阻滞沟堑技术已被开发用来最大限度提升IGBT在应用和工业传动应用中的开关性能。元件在漂移区内对载流子寿命进行优化，并优化阳极附近损耗阻滞区内的载流子寿命及掺杂浓度。漏电流和元件击穿电压都随漂移区内的寿命降低而增加。
另外，使用了一个70μm厚的晶片，允许轻微地掺杂阳极以帮助减少总存储电荷，从而提高元件的开关性能，尤其是在高温条件下。
以这样的方式对结构、几何形状进行优化和掺杂，获得了比之前的PT型和NPT型IGBT元件更低的VCE(on)和开关损耗。在实际应用中，损耗阻滞沟堑IGBT降低了损耗，并能产生比上一代元件多达60％的均方根电流。对于一个给定电流，这些元件所需散热器尺寸大概小50％。该项技术不仅适用于离散型IGBT，还适用于不断涌现的将600V IGBT与驱动电路结合起来，简化应用电机控制设计的智能功率模块家族产品，使这样的集成模块的尺寸缩减1/4。
性能比较
新的600V沟堑IGBT提供比上一代PT型和NPT型元件更低的VCE(on)，从而造成更低的传导损耗(图2)。各个开关特点的比较再一次表明，损耗阻滞IGBT的操作产生的损耗比上一代元件更少。
设计者无需更改其栅极驱动电路，因为这些元件的阈值和最大栅极电压值对于穿透和非穿透设备都是在同样的范围内。沟堑IGBT还具有更低的总栅极电荷、更短的传播延迟和更短的导通和关断转换时间。因而不需要修改控制器的死区时间或最小脉冲宽度设置。
较快速的开关带来逆变器低边元件的假性导通危险，快速的dV/dt瞬态过程就有可能会导致这种现象。假性导通能够产生击穿电流，这就有可能会削弱逆变器可靠性并引发早期故障。然而，损耗阻滞沟堑IGBT具有高的门极一发射极电容(CGE)和反向传输电容(CRES)比，可以避免高dV/dt感应的假性导通。这保证了鲁棒性能，即使是在高dV/dt开关的情况下。
根据正向电压，开关能量和均方根电流与频率特性的对比，沟堑IGBT元件比平面型IGBT具有更好的性能。无疑，损耗阻滞沟堑IGBT元件具有更低的传导和开关能量损耗，使高开关频率下运行的逆变器应用具有更高的效率。
降低应力以改进可靠性
损耗阻滞沟堑IGBT的许多自身特点带来了诸多好处，使运动控制应用更具鲁棒性。其中一例是IGBT在短路情况下的顺畅关断特性，降低IGBT上的电压尖峰和应力。
另一个好处在于短路期间，没有门极过充电。较早的IGBT结构就会发生这种现象，导致过电流尖峰，对元件产生应力，并削弱逆变器的可靠性。沟堑IGBT的方形反偏安全工作区(RBSOA)特性也通过允许严重负载下的安全开关来提高鲁棒性。这与高峰关断能力和好的短路率一起，将使更加稳健可靠的逆变器适用于各种各样的应用。