中心議題：
- IGBT4-T4具備快速開關(guān)性能，適用于標(biāo)稱電流為
- IGBT4-E4具備良好開關(guān)和導(dǎo)通特性，適用于標(biāo)稱電流為
- 具備軟開關(guān)性能的IGBT4-P4芯片，適用于標(biāo)稱電流大于
解決方案：
- 實(shí)現(xiàn)低的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗
- 使芯片的允許工作結(jié)溫提高25°C ，達(dá)到Tvjop=150°C
- 優(yōu)化的組裝技術(shù)顯著改善了功率循環(huán)（PC）周期
- 擁有比良好的柔軟度
- 可通過計(jì)算工具IPOSIM計(jì)算損耗特性，估評(píng)新器件在變頻器模式下的運(yùn)行狀況
如今全球電能需求逐年增加。而能源成本的不斷提高，二氧化碳溫室氣體的減排需求以及未來(lái)礦物能源的有限性，這些都要求我們要負(fù)責(zé)任地利用這些資源，達(dá)到節(jié)能的效果。諸如驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)或電源系統(tǒng)等許多工業(yè)應(yīng)用都顯示了巨大的節(jié)能潛力。就驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)而言，采用先進(jìn)、高效的變頻器可降低機(jī)器的能耗。
對(duì)于采用先進(jìn)、高效的變頻器的工業(yè)節(jié)能應(yīng)用市場(chǎng)而言，經(jīng)過優(yōu)化的各種功率半導(dǎo)體是不可或缺的。英飛凌推出的全新1200V IGBT4 系列，結(jié)合改進(jìn)型發(fā)射極控制二極管，針對(duì)高中低功率應(yīng)用提供了三款產(chǎn)品，可面向不同應(yīng)用滿足現(xiàn)代化變頻器的要求。
這三款經(jīng)過優(yōu)化的芯片分別是：具備快速開關(guān)性能的IGBT4-T4芯片，適用于標(biāo)稱電流為10A至300A的低功率模塊；具備良好開關(guān)和導(dǎo)通特性的IGBT4-E4芯片，適用于標(biāo)稱電流為150A至1000A的中功率模塊；具備軟開關(guān)性能的IGBT4-P4芯片，適用于標(biāo)稱電流大于900A的高功率模塊。
IGBT4-P4芯片在其他報(bào)告[1、2、3]中進(jìn)行詳細(xì)介紹，因此，本文將重點(diǎn)介紹中低功率芯片。
成功開發(fā)全新芯片的兩個(gè)準(zhǔn)則是實(shí)現(xiàn)低的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗。IGBT4技術(shù)還使芯片的允許工作結(jié)溫提高25°C ，達(dá)到Tvjop=150°C。
表1 英飛凌IGBT3 與 IGBT4 的對(duì)比
表1對(duì)比了全新IGBT4 及其前代IGBT3 的電氣性能。
全新1200V IGBT4 功率半導(dǎo)體的最高允許工作結(jié)溫達(dá)到150°C，而其前代的最高允許工作結(jié)溫為125°C。
英飛凌最初是在其第三代600V功率半導(dǎo)體[11, 12]上實(shí)現(xiàn)了150°C的最高允許工作結(jié)溫。
在相同的冷卻條件下和整個(gè)溫度范圍內(nèi)，工作結(jié)溫越高，輸出功率越大。
此外，如圖1所示，優(yōu)化的組裝技術(shù)顯著改善了功率循環(huán)（PC）周期。這至少能確保在工作結(jié)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[2]。
圖 1： 在接通時(shí)間約為1秒和電流約為標(biāo)稱電流條件下，1200V標(biāo)準(zhǔn)模塊使用壽命圖和EconoPACK模塊的典型使用壽命
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IGBT 性能
然而，只降低損耗還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。器件本身的開關(guān)特性也是一個(gè)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(yīng)用，因此IGBT4的開發(fā)目標(biāo)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(dǎo)致的開關(guān)損耗。對(duì)于許多柵極電阻而言，關(guān)斷損耗不取決于Rg，這可由IGBT固有的開關(guān)特性進(jìn)行解釋[7, 8]。
圖2：柵極電阻導(dǎo)致的關(guān)斷損耗（Tvj=125°C，Vce=600V，Ic=300A， L?=30nH）
在dv=L*di/dt條件下，當(dāng)開通和關(guān)斷時(shí)，雜散電感與電流梯度共同作用可影響電壓特性。如果關(guān)斷時(shí)雜散電感L較大，電壓就會(huì)過壓，導(dǎo)致?lián)p耗增大（如表2所示）。
表2：Tj=125°C條件下，雜散電感導(dǎo)致的300A/600V中功率IGBT4-E4的損耗
IGBT柔軟度與關(guān)斷損耗對(duì)柵極電阻非常不敏感。在標(biāo)稱電流條件下的開關(guān)性能對(duì)比參見圖3和圖4。
圖3：在Tj=25°和L等于30nH條件下，低功率300A IGBT的關(guān)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(shè)計(jì)目的，E系列柔軟度明顯高于T系列[5]，因此可以在更高直流側(cè)電壓和/或更高相聯(lián)電感的條件下關(guān)斷E4。
圖4：在Tj=25°和L等于65nH條件下，中功率300A IGBT 的關(guān)斷操作
更重要的是，當(dāng)L值增大時(shí)，關(guān)斷會(huì)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(cè)電壓為900V的測(cè)試條件下依然實(shí)現(xiàn)軟關(guān)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Tj=125°C條件下，受雜散電感影響的 300A 中功率IGBT4 的開關(guān)特性
為某種應(yīng)用選擇最佳的IGBT時(shí)，還必須考慮雜散電感對(duì)二極管特性的影響。在所舉例子中，發(fā)射極控制高效二極管的開關(guān)損耗和柔軟度受增加的雜散電感的影響可以忽略不計(jì)。發(fā)射極控制高效二極管采用成熟的發(fā)射極控制技術(shù)[9，10]。
然而，如果較高的直流側(cè)電壓與增大的雜散電感同時(shí)出現(xiàn)，則需要通過增大外部門極開通電阻，降低開關(guān)速度，實(shí)現(xiàn)二極管的軟開關(guān)。增大的外部門極電阻會(huì)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(lái)優(yōu)化機(jī)會(huì)。
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通過IPOSIM計(jì)算
為了估評(píng)新器件在變頻器模式下的運(yùn)行狀況，可通過計(jì)算工具IPOSIM計(jì)算損耗特性。IPOSIM計(jì)算[4]只需輸入靜態(tài)損耗和動(dòng)態(tài)損耗以及熱數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度即可完成計(jì)算。一種方法是計(jì)算由結(jié)溫產(chǎn)生的最大RMS電流和開關(guān)頻率。對(duì)62mm半橋模塊（圖6）的IGBT計(jì)算結(jié)果表明，這種全新芯片在125°C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(yīng)用許允的150°C工作結(jié)溫，就能夠使同一組件的輸出電流能力增加最大17%。
圖6： 利用IPOSIM計(jì)算由開關(guān)頻率導(dǎo)致的300A半橋模塊的最大RMS輸出電流（600V直流電路），Rth（heatsink）=0,1K/W，Tambient=40°C；cos(phi)= 0,8
進(jìn)一步通過IPOSIM計(jì)算，對(duì)比新器件與前代器件。首先，在結(jié)溫為125°C條件下，計(jì)算8kHz頻率下E3的最大Irms。接下來(lái)計(jì)算所有其他型號(hào)芯片在相同變頻器輸出電流條件下的損耗。圖7概括了計(jì)算結(jié)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(dāng)。T4的損耗與E4相比，降低約3%。
圖7：與發(fā)射極控制高效二極管結(jié)合使用的300A IGBT的損耗與溫度計(jì)算值： IRMS=214,2A, Rth(heatsink)=0,1K/W; f=8kHz; Tambient =40°C; cos(phi)= 0,8
結(jié)論
全新功率半導(dǎo)體經(jīng)過優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了性能提升，能在工作結(jié)溫增大（Tvjop=150°C）的情況下，提高變頻器的輸出功率。
英飛凌提供的全新IGBT在Tvjop=125°C溫度條件下，與前代產(chǎn)品相比，可使總損耗最高降低6%。這意味著隨著允許結(jié)溫的提高可使變頻器真正從中受益。
此外，組裝技術(shù)的優(yōu)化確保在工作結(jié)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(zhǎng)使用壽命[1]。
這種全新半導(dǎo)體將采用目前成熟的封裝和未來(lái)新的封裝。所有這些改進(jìn)都將使新IGBT4模塊成為滿足不同應(yīng)用要求的理想之選。
英飛凌元件的不斷改進(jìn)與各項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展為客戶和合作伙伴優(yōu)化他們的應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來(lái)機(jī)會(huì)，并為其實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。
