基于TRENCHSTOP技术工业应用的高速IGBT

1 简介

为提高变换器功率密度，在过去提出了采用快速IGBT代替传统结构或者超级结的MOSFET。但是，由于技术的不足，快速IGBT仍然不适用于要求技术和成本都要有优势的一些领域。

新的TRENCHSTOPTM 5 IGBT克服了这些技术不足，为高开关频率，如太阳能光伏逆变器、不间断电源（UPS）、弧焊机上等一些应用场合提供了一种引人关注的解决方法。

本应用手册的目的是为工程师们提供在采用传统IGBT的应用场合如何设计使用新的TRENCHSTOPTM 5的信息和建议。

在简介该新技术后，通过在一个双极性H桥太阳能光伏逆变器应用测试，给出更多详细的技术特点。

2 技术与产品系列概述

TRENCHSTOPTM 5 技术是对英飞凌TRENCHSTOPTM技术优化得到的，TRENCHSTOPTM综合采用了沟道栅与场截止结构。为了使总损耗最小，该器件厚度减小到50um，这就要求对载流子进行优化以减少漂移区的电荷载流子，这些电荷在关断期间需要从漂移区驱除的。这个两个措施可以显著减小通态损耗（饱和导通电压Vcesat）和关断开关损耗（Eoff）。

此外，由于有一个新的“晶体管条形”（transistor stripe）单元结构，栅极电荷Qg减小，同时也使MOS沟道的宽度有很大的提高，如图1所示。

综合采用新的晶体管条形”（transistor stripe）单元和垂直结构使得即使在电流密度增加下，IGBT有更低的饱和电压Vcesat和关断损耗Eoff。

图1 英飞凌IGBT 结构演变图

尽管晶片厚度减小了，但可以使耐压值达到650V，比之前系列产品提高了50V。TRENCHSTOPTM 5 推出两种不同系列以满足不同应用场合和不同设计人员的要求。设计人员可选择系列有H5 和F5 两种。H5 系列的特点是优化了场截止技术的设计，目的是作为英飞凌HighSpeed 3(HS3) IGBT 系列产品在标准应用场合的补充产品，它允许即插即用替换IGBT，而不需要对电路板做任何调整设计。在关断时即使采用低值Rg 和很高的电流变化率，它的关断电压上升也很软。

此外，F5 是一种更高性能的解决办法。它有更高的效率，但需要通过更高要求的设计才能获得。驱动级设计应该采用不同的Rg on 和Rgoff 门极电阻，来尽可能提高效率以及控制关断时的过电

压。它最适合应用在换流回路和封装的杂散电感都很低的经过优化设计的电路板。

2.1 TRENCHSTOPTM 5 的静态与动态特性

本小节将对比介绍新的TRENCHSTOPTM 5 两种系列产品与英飞凌HighSpeed 3 系列产品之间的不同，对比内容包括静态和动态特性两方面。

2.1.1 与前一代产品对比

如表1所示，与HighSpeed 3 系列产品比较，TRENCHSTOPTM 5 系列在所有的静态与动态参数上都有很大的提升。新产品耐压值提高了50V，饱和通态电压Vcesat 降低了250mV，Coss、Cres和Qg大大减小，关断时电流的上升沿和下降沿更快，以及导通损耗Eon和关断损耗Eoff降低了一半。

器件开关损耗减小意味着开关时速度更快。这也是为什么器件耐压要提高到650V的原因之一，特别是对于F5，耐压提高可以为采用低栅极电阻关断大电流时引起的电压尖峰提供更多的电压裕量。提高器件耐压也有利于在太阳能光伏逆变器中的应用，因为太阳能电池板在开路时电压可能高达580V，在一些特殊场合甚至高达600V。在这种情况下，650V的耐压提供了充分裕量。

如图2所示，TRENCHSTOPTM 5 使饱和电压Vcesat与关断损耗Eoff达到一个更高的折中水平，从而使其在工作时导通损耗与开关损耗的性能都得到提高。
表1 TRENCHSTOPTM 5与HS3的参数比较

图2 与以前各代产品对比的Vcesat-Eoff 折中图

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