作者：Wilhelm Rusche，工業驅動部門IGBT模塊營銷工程師，英飛凌科技股份公司

對于采用先進、高效的變頻器的工業節能應用市場而言，經過優化的各種功率半導體是不可或缺的。英飛凌推出的全新1200V IGBT4系列，結合改進型發射極控制二極管，針對高中低功率應用提供了三款產品，可面向不同應用滿足現代化變頻器的要求。

這三款經過優化的芯片分別是：具備快速開關性能的IGBT4-T4芯片，適用于標稱電流為10A至300A的低功率模塊；具備良好開關和導通特性的IGBT4-E4芯片，適用于標稱電流為150A至1000A的中功率模塊；具備軟開關性能的IGBT4-P4芯片，適用于標稱電流大于900A的高功率模塊。

IGBT4-P4芯片在其他報告中進行詳細介紹，因此，本文將重點介紹中低功率芯片。

成功開發全新芯片的兩個準則是實現低的靜態和動態損耗。IGBT4技術還使芯片的允許工作結溫提高25℃，達到T_vjop=150℃。

表1對比了全新IGBT4及其前代IGBT3的電氣性能。

表1.全新IGBT4及其前代IGBT3的電氣性能的對比。

全新1200V IGBT4功率半導體的較高允許工作結溫達到150℃，而其前代的較高允許工作結溫為125℃。

英飛凌較初是在其第三代600V功率半導體上實現了150℃的較高允許工作結溫。

在相同的冷卻條件下和整個溫度范圍內，工作結溫越高，輸出功率越大。

此外，如圖1所示，優化的組裝技術顯著改善了功率循環（PC）周期。這至少能確保在工作結溫增大的情況下，輸出電流增大但功率器件壽命不變——或者在相似輸出功率條件下，提高器件的使用壽命，見圖1。

圖1. 在接通時間約為1秒和電流約為標稱電流條件下，1200V標準模塊使用壽命圖和EconoPACK模塊的典型使用壽命。

 

IGBT性能

然而，只降低損耗還遠遠不夠。器件本身的開關特性也是一個重要問題。

由于IGBT3系列的柔軟度足夠適用于幾乎所有中低功率應用，因此IGBT4的開發目標是具有與前代IGBT3系列相似的柔軟度。

圖2顯示外部柵極電阻導致的開關損耗。對于許多柵極電阻而言，關斷損耗不取決于R_g，這可由IGBT固有的開關特性進行解釋。

圖2. 柵極電阻導致的關斷損耗（T_vj=125℃，V_ce=600V，I_c=300A，L_=30nH）。

 

在dv = L*di/dt條件下，當開通和關斷時，雜散電感與電流梯度共同作用可影響電壓特性。如果關斷時雜散電感L較大，電壓就會過壓，導致損耗增大，如表2所示。

 

表2. T_j=125℃條件下，雜散電感導致的300A/600V中功率IGBT4-E4的損耗。

IGBT柔軟度與關斷損耗對柵極電阻非常不敏感。在標稱電流條件下的開關性能對比參見圖3和圖4。

圖3. 在T_j=25°和L等于30nH條件下，低功率300A IGBT的關斷操作。

圖4. 在T_j=25°和L等于65nH條件下，中功率300A IGBT的關斷操作。

IGBT4-T4擁有比低功率IGBT3-T3芯片略高的柔軟度，而IGBT-E4擁有比中功率IGBT3-E3芯片略高的柔軟度。按照設計目的，E系列柔軟度明顯高于T系列，因此可以在更高直流側電壓和/或更高相聯電感的條件下關斷E4。

更重要的是，當L值增大時，關斷會更不平滑。因此，300A IGBT4-E4能在直流母線雜散電感為65nH以及直流側電壓為900V的測試條件下依然實現軟關斷就很令人放心了（圖4）。圖5顯示在電流下降沿增大期間，因雜散電感的增加而引起的壓降。

圖5. 在T_j=125℃條件下，受雜散電感影響的 300A 中功率IGBT4的開關特性。

 

為某種應用選擇較佳的IGBT時，還必須考慮雜散電感對二極管特性的影響。在所舉例子中，發射極控制高效二極管的開關損耗和柔軟度受增加的雜散電感的影響可以忽略不計。發射極控制高效二極管采用成熟的發射極控制技術。

然而，如果較高的直流側電壓與增大的雜散電感同時出現，則需要通過增大外部門極開通電阻，降低開關速度，實現二極管的軟開關。增大的外部門極電阻會使開通損耗增大。增加的雜散電感降低了IGBT與二極管的柔軟度，但也為所有IGBT模塊帶來優化機會。

通過IPOSIM計算

為了估評新器件在變頻器模式下的運行狀況，可通過計算工具IPOSIM計算損耗特性。IPOSIM計算只需輸入靜態損耗和動態損耗以及熱數據和環境溫度即可完成計算。一種方法是計算由結溫產生的較大RMS電流和開關頻率。對62mm半橋模塊（圖6）的IGBT計算結果表明，這種全新芯片在125℃溫度條件下，與前代芯片相比，輸出電流能力增大。此外，如果可以使用應用許允的150℃工作結溫，就能夠使同一組件的輸出電流能力增加較大17%。

圖6. 利用IPOSIM計算由開關頻率導致的300A半橋模塊的較大RMS輸出電流（600V直流電路），R_th（heatsink）=0,1K/W，T_ambient=40℃；cos（phi）= 0,8。

 

進一步通過IPOSIM計算，對比新器件與前代器件。首先，在結溫為125℃條件下，計算8kHz頻率下E3的較大I_rms。接下來計算所有其他型號芯片在相同變頻器輸出電流條件下的損耗。圖7概括了計算結果。E4模塊的損耗大約比E3模塊的損耗低3%，但與T3的損耗相當。T4的損耗與E4相比，降低約3%。

圖7. 與發射極控制高效二極管結合使用的300A IGBT的損耗與溫度計算值：I_RMS=214,2A，R_th（heatsink）=0,1K/W；f=8kHz；T_ambient =40℃；cos（phi）= 0,8。

結論

全新功率半導體經過優化，實現了性能提升，能在工作結溫增大（T_vjop=150℃）的情況下，提高變頻器的輸出功率。

英飛凌提供的全新IGBT在T_vjop=125℃溫度條件下，與前代產品相比，可使總損耗較高降低6%。這意味著隨著允許結溫的提高可使變頻器真正從中受益。

此外，組裝技術的優化確保在工作結溫增大的條件下，可獲得相同的使用壽命和提高近17%的輸出電流——或在類似輸出功率下，延長使用壽命。

這種全新半導體將采用目前成熟的封裝和未來新的封裝。所有這些改進都將使新IGBT4模塊成為滿足不同應用要求的理想之選。

英飛凌元件的不斷改進與各項新技術的發展為客戶和合作伙伴優化他們的應用設計帶來機會，并為其實現節能目標做出貢獻。

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