傳統的 IGBT 在歷史上一直受到開關損耗的影響。為了高效運行，IGBT 需要像硅 FRD 一樣的續流二極管 （FRD），如圖 1 所示。隨著 Rohm Semiconductor 最近發布的一種混合 IGBT，它采用了 SiC 肖特基勢壘二極管 （SBD），這一限制得到了解決，從而導致與傳統的 Si FRD IGBT 和超結 （SJ） MOSFET 相比，分別提高了 67% 和 24%。這種改進加上低成本，有利于多種用途，包括機器人、輔助電源、高壓工業電機驅動和不間斷電源 （UPS）。羅門半導體的這份白皮書將批判性地研究新的混合 IGBT 系列版本及其應用，并比較分析該系列中各種產品的規格。

圖 1：功率器件配置比較

電子應用中對高效功率半導體器件的需求不斷增長

電子產品的快速小型化、多功能化以及對節能的推動已經導致對高效功率半導體器件的空前需求。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在電子制造業中得到廣泛普及；然而，混合 IGBT 解決方案提供更高水平的可靠性，適用于高功率要求的工業和汽車應用。該解決方案適用于電動和電動汽車 （xEV） 中的汽車充電器（車載充電器）、太陽能逆變器（功率調節器）、UPS、空調、電子壓縮機和車載 DC/DC 轉換器。

混合 IGBT 非常適合這些應用，因為它們滿足低開關損耗、低 V CE、高功率轉換效率和低成本等關鍵要求。這些解決方案提供超過 97% 的效率，可確保在用于汽車充電器時具有較寬的工作頻率范圍。在 100 kHz 時，它們的效率比傳統 IGBT 高 3%，有助于在這些汽車和工業應用中降低功耗和成本效益。

圖 3：不同功率器件配置的功率轉換效率比較

圖 3 顯示，傳統的 Si FRD IGBT 在 100 kHz 時具有 94% 的最低功率轉換效率。盡管標準 SJ MOSFET 和混合 IGBT 具有相當的效率，但較新的 IGBT 顯示出優于 SJ MOSFET 的質量，因為它們即使在更高的工作頻率下也能保持穩定性。

將SBD 與 IGBT 集成：主要優勢

盡管傳統的 IGBT 和 SJ MOSFET 是由硅襯底制成的，但它們的器件結構存在一些差異。例如，雖然 IGBT 在開啟或關閉時會出現與開關損耗相關的問題（開啟和關閉損耗），并且使用 FRD 可以更有效地運行，但 SJ MOSFET 具有更好的開關損耗相關特性，并且沒有要求對于FRD。然而，IGBT 可以處理比 MOSFET 更高的電壓，這使得它們成為多種大功率應用的理想之選。與 SiC FRD 不同，SiC SBD 可以通過降低開關損耗來極大地提高 IGBT 的性能。

圖 4：通過集成 SiC SBD 降低開啟損耗的效果

圖 4 顯示了 SiC SBD 與 IGBT 集成的理想效果。如圖所示，與傳統的 Si FRD 集成 IGBT 相比，SiC SBD 集成 IGBT 與新型 IGBT 一樣，可以限制超過 10A 的電流損耗，并將功率器件的反向恢復時間縮短多達 60%。如圖 5 所示，通過將 SiC SBD 用作 FRD，混合 IGBT 與傳統 IGBT 相比可顯著降低高達 67% 的開關損耗，與 SJ MOSFET 相比可降低 24%。

圖 5：不同功率器件配置中的損耗比較

此外，無論結溫范圍如何，SiC SBD IGBT 均可實現較低的正向壓降 （V f ），從而提高效率。

圖 6：SiC SBD IGBT 提供的 Vf 低于其他公司。

混合 IGBT 在各種大功率工業和汽車應用中的優勢

混合 IGBT 在電子應用中具有多種優勢。與現有的 IGBT 相比，它們在 E on和 E rec降低、開關效率、V CE（sat）降低、V峰值降低和整體效率方面都有顯著改進。

E on和 E rec減少

在 IGBT 中加入 SiC SBD 可顯著降低開啟期間的能量損失 （E on ） 和反向恢復能量損失 （E rec ），最多可降低 50%。

圖 7：使用混合 IGBT 降低 Eon

傳統Rohm的Si FRD IGBT（RGW00TS65D）的Eon為1.11兆焦耳，而SiC SBD IGBT的Eon為0.57兆焦耳。SBD IGBT的開關將限制開關期間的能量損失，并支持大電流、高電壓應用。

（注：Eon包括二極管反向恢復（Erec）。）

從Eon和Erec的減少中提高開關效率

Eon和Erec的減少導致開關能量損失的相應減少，從而提高開關效率。混合IGBT的特點是開關能量損失從2.7兆焦耳顯著減少到1.4兆焦耳，相當于47%。

圖 8：由于 Eon 和 Erec 減少導致 ESW 減少

開關效率相應提高 3.2%，使 RGWxx65C 系列適用于硬軟件應用。

圖 9：顯示混合 IGBT 開關效率改進的圖表

V CE（sat）降低

圖 10 顯示，Rohm 的混合 IGBT 顯著降低了電力系統中的集電極-發射極電壓 （V CE ）。在 I C = 60 A 和 T j = 175?C 時，RGW00TS65C 的 V CE（SAT） = 1.85 V，比 Comp. 的傳統 IGBT 低 0.05 V。D. 此外，在 T j = 25?C 時，混合 IGBT 的 V CE（SAT）為 1.5 V，比傳統 IGBT 低 0.15 V。Rohm 的更薄晶圓技術和場停止導致 V CE（SAT）和 SW 損耗之間的最佳平衡，有利于降低整體損耗、提高效率和降低器件溫度。

圖 10：IC 與 VCE 的關系圖

開關事件期間的V峰值降低

混合 IGBT 的過沖被限制為 1，這會導致 V峰值顯著降低。傳統 IGBT 的 V峰值為 519 V，而混合 IGBT 系列的 V峰值較低，為 478 V，如圖 11 所示。

圖 11：比較的 Vpeak 值比較。D和羅姆

混合 IGBT 比 Comp 更能有效降低EMI 的Rg。D. 它還有助于確保降低開關損耗，如圖 13 所示。

圖 12：EOFF+ON 與 IC、SW 的關系圖

與其他技術相比，整體效率提高

與其他技術相比，混合 IGBT 系列在高開關頻率下表現出卓越的效率。僅次于 SiC MOS 技術，超越 SJ MOSFET。憑借這些高水平的效率，由于極快的 SiC SBD，開關損耗顯著降低。

圖 13：混合 IGBT 與其他技術的整體效率比較

羅姆 IGBT 解決方案：規格比較

Rohm的RGWxx65C系列是第三代Rohm IGBT。該系列包括RGW60TS65CHR、RGW80TS65CHR和RGW00TS65CHR。該系列中的其他產品目前正在開發中，例如RGW40NL65CHR、RGW50NL65CHR和RGW60NL65CHR。現有產品目前正處于量產階段，預計將于2021第1季度實現商業化。RGWxx65C系列的一些常見功能包括符合AEC-Q101、內置無恢復SiC SBD、低集電極-發射極飽和電壓、無鉛鉛電鍍、符合RoHS、低開關損耗、軟開關和TO-247N封裝。

Rohm 利用溝槽柵極和薄晶圓技術來實現低 V CE（sat）并減少開關，從而有助于在各種大電流、高壓應用中提高效率并節省更多能源。

表 1 和表 2 給出了羅姆混合 IGBT 規格的詳細比較。表 1 顯示了解決方案的絕對最大額定值，表 2 總結了 IGBT 電氣特性。

表 1：絕對最大額定值（Tc = 25?C 時，除非另有說明）

表 2：IGBT 電氣特性（Tj = 25?C 時，除非另有說明）

這種混合型 IGBT 的三個成員的額定電壓為 650 V CES ，額定電流為30-A 至 50-AI C。此外，它們的工作結溫相似，為 –40°C 至 175°C。

然而，RGW00TS65C IGBT 表現出最高的開關損耗，在 25°C 和 175°C 的工作結溫下分別為 0.18 mJ 和 0.19 mJ。這些值低于傳統的 IGBT，使其適用于多種應用。

審核編輯：郭婷