有谁用过新一代IGBT系列产品呀？
摘要：最近几年，分立的IGBT已在不同的领域广泛应用，诸如传动用逆变器、电感性加热、焊接、太阳能发电用逆变器和UPS。这些应用装置在某些方面仍有本质上的不同要求，需要应用优化的专用器件。
　　本文阐述第三代1200V 高速器件(“HS3”产品系列)，它是专为焊接，太阳能发电逆变器和UPS等高频应用设计的。这些应用的典型工作频率范围是20K--40KHz，要求开关损耗低于典型的传动应用的损耗，后者在10KHZ甚至在更低范围中应用。但是，饱和电压VCE，sat在整个损耗中仍起重要的作用，为此要找到开关损耗和传导损耗之间良好的平衡。文中提供了新产品的特性并和市场上的其他产品系列做了比较。这些新产品的效益在特定装置的应用中获得了验证。
　　1引言
　　电能的高效利用是电力电子获得迅速发展的主要推动力之一。IGBT技术为这些应用提供优化的专用器件来支持这种趋势[1]-[3]。虽然IGBT当前的主要市场仍属电力传动部分，但最近几年，其他应用领域，诸如UPS(不中断电源)，光伏逆变器也取得了显著的市场份额。对各种应用——从大功率传动用的逆变器到独特的烹调电器用的电线插孔(cooking hubs)——都是将它用作功率开关。其中大多数是以DC/AC变换方式来应用，但仍有不同特性的要求。例如，电力传动逆变器要求器件具有较强的坚韧性，包括应付负载短路电流等失效模式的能力。而用于UPS或太阳能逆变器，则侧重于效率和输出信号的质量。这样，后者在较高频率下驱动时可减轻滤波器工作。当然，电力传动也一样要求高效率，因为要小型化就要求严格限制系统的总损耗。本文介绍的新一代1200V高速(High Speed)IGBT3(简称：HS3-系列)是针对UPS，太阳能逆变器和焊接等装置应用专门开发的。它侧重于提高效率和用于高于20KHz的高频开关，以及具有更好的抗电磁干扰性能与软开关特性。
　　下文首先阐述IGBT和二极管的特点，再阐述所选应用条件的优点。
　　2 HS3产品特性
　　2.1技术概述：IGBT
　　HS3-IGBT产品系列是在已定型的TrenchStop2产品系列相同技术基础上的延伸。针对前几个技术发展阶段和电压等级(见图1)，英飞凌技术公司用现代薄片技术将沟槽(Trench)MOS单元结合场截止(Stop)理念进行优化。为了优化性能，这种理念允许对IGBT收集极特性进行技术调制。这种方法的好处本身表明，尤其在耐短路电流和脉冲电流的坚韧性方面是优越的，软开关特性也一样优越。不过，TrenchStop2系列的目标是提高低、中频直到20KHz的逆变器的效率，而HS3系列则为高频运作优化发射极。
　　众所周知，对给定的IGBT技术基础(用单元布局和垂直设计为表征)，在器件的漂移区采用等离子体技术调制可得到不同的器件特性。调整IGBT器件中固有的PNP晶体管的增益，可找到传导损耗和开关损耗之间的关系或不同的折衷点。通常，以关断损耗Eoff作为传导损耗(以额定电流下的饱和电压VCE，sat表示)的函数关系作图来说明。图2示出HS3系列的优化效果，作为参考也列出以前各代器件的折衷点。
　　HS3产品和TrenchStop2产品相比，关断损耗减小了40%，而饱和电压VCE，sat却被提高了400mV。但是，和以前的快开关IGBT相比, HS3产品的Eoff减小了15%，同时减小的传导损耗(VCE，sat)大于1V。
　　下文讨论新产品提供高于20KHz高频应用的新基准性能。
　　
　　　　
　　HS3的另一个收效是它还具有平滑的开关特性，没有干扰瞬变或高压尖峰。图3示出了HS3系列的IKW40N120H3和TrenchStop2系列的IKW40N20T2开关曲线比较。HS3器件表明具有很陡的电压和电流斜率，但仍能保持平滑的转换到零电流而没有过剩的拖尾电流。
　　
　　　　2.2技术概述：二极管
　　当需要IGBT并联续流二极管应用时，将HS3-IGBT与2007年引入的发射极控制二极管的第4代结构组合[4]。它提供极佳的传导损耗，同时由于优化了垂直设计使IGBT的导通损耗减至最小。
　　为进一步改进，对特定应用的分析表明，这些逆变器中的能量流动是单向的。从热学观点来讲，桥式逆变器中续流二极管产生最大应力的条件是在驱动起动或“制动”时，用-cosφ来表征。在这种负载情况下，二极管损耗的主要部分可以认定为传导损耗。当起动不算在应用范围时，二极管的热应力状态不严重，此时损耗的主要部分是开关损耗。对高频应用，它提供了新的优化机遇。
　　应当指出，二极管的损耗由漂移区中过剩载流子传导的等离子体来决定。一方面，由于其高载流子密度才能保证低的传导损耗，但另一方面要二极管维持电压又必须从器件中将其抽走。而其电量(可用转换时反向恢复电荷Qrr来表示)的增加线性地小于电流密度的增加。因此，如果对给定的电流，采用较小面积的二极管使其在高电流密度下驱动的话，二极管的开关损耗和二极管引起IGBT导通损耗会减小。当然，要记住，二极管的传导损耗会随电流密度的增加而增加。
　　在HS3产品系列中，所用二极管的尺寸小于Tenchstop2系列，以此来改善高频性能。图4直观地示出IKW40N120H3(为单向能流优化的二极管)和IKW40N120T20(适于起动模式)二极管参数的比较。
　　
　　
　　图4 将IKW40N120H3和IKW40N120T2置于双封装产品中的二极管，如对IKW40N120H3导通损耗的影响一样，比较了两者二极管的静态和动态特性。
　　为提高系统效率而选择二极管获得的效益将在下面应用部分讨论。必须指出，增加二极管电流密度的理念只可能用第4代发射极控制二极管的优良坚韧度来实现。而由于不同的IGBT/二极管的面积比，较高的电流密度和较快的开关时间会增加动态应力。对二极管应力最好的量度是用二极管换向时产生的最大瞬态功耗Pdmax来表示。图5针对IKW40N120H3示出了第4代发射极控制二极管的特征性能。为得到这样的应力电平，需要附加条件：IGBT开关要维持在25°C，而二极管要加热到它的最高结温。但在高端-低端器件上，具有类似负载和损耗的实际应用中，开关和二极管的温度非常接近。因为两者在实验中有相同的冷却条件和共同的引线框架。为进一步提高IGBT开关速度，必须在非常低的栅电阻和超过最大定额的高栅压来驱动。在典型应用条件(Ugate=15V，额定电流下)栅压超过定额至少4成都未发现有破坏现象产生。
　　
　　图5 二极管应力用峰值功耗Pdmax来度量。甚至在超过规格限度的条件下也未达到破坏区域。
　　2.3产品系列
　　HSp3产品系列分为3个电流档次，都用TO247工业标准封装。所有的电流档次都有单个IGBT和同封装优化的二极管。其中25A电流档的主要参数与Trenchstop2、Fast IGBT产品系列的比较示于图6。HSp3系列提供了高频相关电参数的重要改进。
　　
　　
　　图6 HS3系列产品的IKW25N120H3与以前各档次产品IKW25N120T2、SKW25N120的静态和动态参数的比较。所有动态数据是在总线电压600V，栅电阻22.3Ω(IKW25N120H3的额定值)时给出。
　　3应用研究
　　3.1具有正弦电流输出的逆变器
　　在许多应用中，电力电子系统的主要功能是将DC总线电压转换为正弦AC信号。在UPS应用的功能是，当断电时，其输出信号将立刻仿真和取代外电网。对太阳能发电系统，则是将光伏板面上产生的直流电转换为和电网特征相匹配的2相-3相交流信号，并把产生的电力高效地输入到电网中。
　　广泛使用的拓扑是具有不同数量支路的桥式结构，其中的开关是用预期高于输出频率的恒定频率下驱动的，所要求的波形用脉宽调制(PWM)法产生。
　　显然，整个逆变器的效率是设计的依据，因为它决定UPS的中间转换能力和太阳能发电的有效功率输出。有源元件(功率开关)和无源元件(磁元件)都会产生损耗。对于有源元件，由IGBT和二极管组成的单个开关产生的损耗很容易从组成的功率器件的静态和动态特性计算出来[5]，[6]。
　　计算损耗的一个重要参数是负载特征，即产生输出信号的功率因数，用其电压和电流之间的相角φ的COS函数表示。
　　图7示出桥式结构中单个开关损耗的仿真结果，电桥的输出电流：40Arms，输入总线电压600V。三个作比较的开关器件分别是40A-HS3、40A-TrechStop2和一个基准对比器件的单个器件。逆变器的开关频率设在20KHz。
　　
　　图7 在20KHz逆变器中，对输出信号(50Hz40Arms)的不同功率因数，IKW40N120H3、IKW40N120T2和基准对比器件的损耗。总线电压设在600V。
　　由图7可见，新HS3器件提供了最好的性能。对所有对比的器件，IGBT的损耗占绝大部分，其中开关瞬间产生的损耗又占主要部分。值得注意的是HS3中的IGBT和二极管二者的损耗和基准对比器件TrenchStop2相比还有所减少。
　　从上述损耗对比可见，对不需要双向能流的应用，HS3产品显著提高了逆变器的效率。从系统观点来看，这对给定输出功率和开关频率，可降低冷却的要求。或者说，如维持开关损耗、冷却条件和磁元件尺寸不变，则可提高开关速度，还可降低系统成本。
　　对给定一组条件来计算最大可能输出均方根电流，也是一种判断器件能力的方法
　　
　　图8 针对不同的功率因数，逆变器受热限制的最大输出电流
　　随开关频率的变化而改变的函数关系图。
　　图8 示出，针对一组不同的功率因数，IKW40N120H3的最大rms(均方根)输出电流作为频率的函数关系。其输出功率的极限是假定器件已达到最大结温而管壳温度保持在80°C时计算出来的。在60KHz开关频率(对应峰值电流约为85A)，功率因数都是1.0和0.7时，IKW40N20H3能提供输出电流40Arms。尽管优化二极管的小的热尺寸，限制的主要部分仍是IGBT。作为验证，也示出了功率因数为—0.7在20KHz(对应驱动逆变器的典型制动条件)时二极管的最大输出电流。这时，二极管是高应力和小尺寸组合，其最大输出电流约为25Arms(图8中显示最大输出电流约为45Arms，疑误。——译者)。
　　3.2具有三角形和梯形电流的升压转换器
　　本节讨论第2种拓扑类型是升压转换器。它是太阳能逆变器的升压级，将在恶劣天气条件下太阳能面板的低输出电压提升。对UPS系统是作电池充电器。
　　此时的拓扑不需要内部的续流二极管。然而，实际上由于安全原因仍然保留着，因为开关过程中会出现寄生振荡，需要箝住负电压。升压转换器可以在非连续电流模式(DCM，开关中是三角电流波形)工作，也可在连续电流模式(CCM，不规则四边形电流波形)工作。后者在开关导通和二极管换向时的次侧产生损耗。做为模型计算，要考虑在小功率电平下从CCM 转换DCM 时的两种工作模式。
　　
　　
　　图9 升压转换器(上图是DCM、下图是CCM模式)受热限制的最大输出电流和开关频率的函数关系。具体条件见正文。
　　图9示出升压转换器受热限制的最大输出电流和开关频率的函数关系图。图中假定，开关在阻断电压为800V，TcaseE=110℃、Tj=150℃时工作。对DCM，假定占空因数d=0.3，对CCM，d=0.5，并假定，导通电流是关断电流的50%。导通损耗采用了反向恢复时间可忽略的SiC二极管IDH0S120来测定的，这样显著的减小了导通损耗。
　　对这两种运作条件， HS3显出最好的性能。对DCM，得到的电流比当前最好档次的产品高20%，并和频率无关。对CCM，特别是和SKW25N20相比，差别略小一些。这两项的对比很重要。
　　首先，HS3的最大结温是175℃，而SKW25N120是150℃。这样，对IKW25N120H3来讲，提高器件P-N结和管壳的温差ΔT时有可能得到更大的电流。而对SKW25N20来讲，这些条件已使它达到最大定额。
　　其次，业已表明，更好的利用新一代硅可提高Rthjc大约15%。正如在本文热仿真条件下，对同样的输出电流，IKW25N120H3的绝对损耗水平低大约15%，系统效率更好。提高最大结温的同时，还开拓了这类应用的系统优化途径，将得到效率和功率密度之间新的折衷条件。
　　4结论
　　本文介绍了新一代1200V HS3产品系列，讨论了IGBT和二极管二者与当前最好档次产品相比后的电参数的改进。对具有正弦波输出的桥式逆变器和升压转换器来说，这些改进已转化为系统效率和最大输出电流。而且表明，新一代HS3产品系列在高于20KHz范围中提供了基准性能，因为在此频段，它对IGBT和二极管两者在开关损耗和导通损耗之间取得均衡的损耗分配。