1 引言
用DC/DC 轉(zhuǎn)換器代替變壓器是電力電子技術(shù)關(guān)注重點(diǎn)之一,。例如，采用再生能源的發(fā)電廠,，人們已考慮采用DC/DC轉(zhuǎn)換器代替變壓器的背靠背(BTB) 直流輸電系統(tǒng),。一般來說，變壓器太笨重,，不方便安裝電極,，且造價(jià)太高。另外,，對(duì)牽引應(yīng)用,，這種方案似乎也頗具吸引力。承載幾個(gè)電壓段的機(jī)車,，例如15kV,，162/3Hz 和25kV，50Hz 等,，需要變壓器,。如果采用DC/DC 轉(zhuǎn)換器做代替，可以減小尺寸,，使機(jī)車有限空間得到擴(kuò)展,。

通常，這些DC/DC 轉(zhuǎn)換器工作在中頻到高頻范圍,，亦即幾kHz 到十幾kHz,。但是IGBT 模塊，做為DC/DC 轉(zhuǎn)換器的主要元件,，人們在優(yōu)化,、設(shè)計(jì)時(shí)，面向的是工作頻率低于kHz,。如果傳統(tǒng)IGBT 模塊應(yīng)用于這種DC/DC 轉(zhuǎn)換器,，會(huì)由于中頻,、高頻工作下開關(guān)或恢復(fù)損耗的積累造成熱奔。為了便于用DC/DC 轉(zhuǎn)換器替代變壓器,，需要對(duì)IGBT 模塊進(jìn)行重新設(shè)計(jì),。

最近， 人們已研發(fā)出一款用于20kHz-50kHz 的1.2kVIGBT 模塊,。對(duì)功率越來越高的DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用,，需要高壓IGBT 模塊。且這些模塊應(yīng)該適用于中頻,、高頻的轉(zhuǎn)換,。本文將介紹一種用于中、高頻轉(zhuǎn)換應(yīng)用的,、新型3.3kV IGBT 模塊,。

2 器件設(shè)計(jì)理念
新設(shè)計(jì)的IGBT 模塊特別面向中頻應(yīng)用。優(yōu)化了IGBT 和二極管芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，從而減小開關(guān)損耗或恢復(fù)損耗,。簡單地說，就是考慮了壽命控制參數(shù),，重輻照壽命控制技術(shù)用于降低內(nèi)部載流子壽命,。

在本新設(shè)計(jì)理念中，二極管的反向恢復(fù)過程采用ISETCAD進(jìn)行了仿真,。圖1 給出了二極管反向恢復(fù)波形及其電子
/ 空穴密度變化的仿真結(jié)果,。新設(shè)計(jì)的二極管與傳統(tǒng)高速二極管( 日立D- 版二極管) 相比，拖尾電流更短,，見圖1(a) 和圖1(b),。圖1(c)- 圖1(f) 給出了二極管恢復(fù)過程內(nèi)部電子或空穴密度變化過程，其恢復(fù)波形如圖1(a) 和圖1(b),。在恢復(fù)波形的各時(shí)間點(diǎn),，給出了電子濃度和空穴濃度。對(duì)比傳統(tǒng)二極管和新設(shè)計(jì)的二極管可以看出,，新設(shè)計(jì)的二極管電子和空穴被掃出,，從而使器件恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的速度更快，這就使恢復(fù)損耗降低,。
這種設(shè)計(jì)概念也適用于新IGBT 芯片,，從而獲得低關(guān)斷損耗。

圖1 諧振DC/DC 轉(zhuǎn)換器模擬電路中恢復(fù)過程仿真：(a)恢復(fù)波形( 新設(shè)計(jì)),；(b) 恢復(fù)波形( 傳統(tǒng)高速),；(c) 空穴濃度的變化( 新設(shè)計(jì))；(d) 電子濃度的變化( 新設(shè)計(jì)),；(e) 空穴濃度的變化( 新設(shè)計(jì)),；(f) 電子濃度的變化( 新設(shè)計(jì))

注：A,，A’ 是圖1(a) 所示二極管的陽極和陰極,。t1 是恢復(fù)前正向電流流通時(shí)刻,，t2-t8 是圖1(a) 所示恢復(fù)過程各時(shí)間點(diǎn)

3 電特性
3.1 關(guān)斷和恢復(fù)特性
新設(shè)計(jì)的IGBT 芯片和二極管芯片安置在高絕緣封裝中，本文是針對(duì)1200A/ 3.3kV IGBT 模塊,。圖3 給出了新設(shè)
計(jì)IGBT 模塊的關(guān)斷波形和恢復(fù)波形,。如圖3 所示，新設(shè)計(jì)IGBT 模塊的關(guān)斷波形dv/dt 更高,，恢復(fù)波形的拖尾電流更低,。這些波形導(dǎo)致低導(dǎo)通損耗和恢復(fù)損耗特性更好。

3.2 折中與3 級(jí)逆變仿真
圖1 比較了新設(shè)計(jì)的IGBT 模塊與標(biāo)準(zhǔn)3.3kV IGBT 模塊( 日立E2- 型IGBT 模塊) 的折中曲線,。由于采用了壽命控制,，與標(biāo)準(zhǔn)IGBT 模塊相比，新設(shè)計(jì)的模塊關(guān)斷損耗和恢復(fù)損耗降低了,。與此相反,，Vce(sat) 和VF 增加了。通過降低開關(guān)損耗和恢復(fù)損耗,，新設(shè)計(jì)的模塊將可用于雙向應(yīng)用,。

與雙向應(yīng)用一樣，新設(shè)計(jì)的IGBT 模塊也適用于超過1kHz 的逆變應(yīng)用,。圖5 給出了采用標(biāo)準(zhǔn)IGBT 模塊和新設(shè)計(jì)
模塊的3 級(jí)逆變器損耗的仿真結(jié)果,。當(dāng)載波頻率超過1kHz，新設(shè)計(jì)的模塊比標(biāo)準(zhǔn)模塊的損耗要低,。同時(shí),，新設(shè)計(jì)的模塊在2kHz 時(shí)，損耗明顯低于標(biāo)準(zhǔn)模塊,。這種差異隨著載波頻率的增加會(huì)更大,。在逆變應(yīng)用中，當(dāng)載波頻率很高時(shí),，新設(shè)計(jì)的IGBT 模塊與標(biāo)準(zhǔn)模塊相比,，表現(xiàn)出更佳適用性。

4 諧振DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用
4.1 初級(jí)端IGBT
為了評(píng)估這種新型二極管適用于雙向和中高頻應(yīng)用的程度,，在諧振DC/DC 轉(zhuǎn)換器模擬電路中測試了開關(guān)和恢復(fù)特性,。圖6 給出了諧振DC/DC 轉(zhuǎn)換器電路拓?fù)浜湍M測試總圖。單周期損耗整體波形如圖7(a) 所示,。該工作模式模擬諧振DC/DC 轉(zhuǎn)換器的初級(jí)端IGBT,。在該波形中，模擬了由諧振DC/DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的Icp 和關(guān)斷電流,。在此開關(guān)過程,，假定開關(guān)頻率6kHz,。通常，傳統(tǒng)IGBT 模塊工作在硬開關(guān)條件下,。相反,，工作在中等頻率范圍的諧振DC/DC 轉(zhuǎn)換器，通常建議工作在軟開關(guān)模式以減小開關(guān)損耗,。在圖7(a) 的開通過程,，模擬了零壓開關(guān)模式(ZVS)，即在導(dǎo)通前VCE 已變?yōu)?,。因此,，開關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗相比很低。根據(jù)測試結(jié)果,，開通損耗占總損耗的3%,。在關(guān)斷過程，是近零電流開關(guān)(ZCS) 模式關(guān)斷,。

圖7(b) 把傳統(tǒng)高速模塊( 日立D- 型 IGBT,，MBN1200H33D) 和新設(shè)計(jì)的IGBT 模塊作對(duì)比。新設(shè)計(jì)的模塊與傳統(tǒng)高速模塊相比,，關(guān)斷損耗低25%,，總損耗低15%。關(guān)斷波形的展開圖如圖8 所示,。波形中存在一個(gè)表征充磁電流的關(guān)斷電流和近零電流,，因此，表現(xiàn)為ZCS,。新設(shè)計(jì)的IGBT 模塊與傳統(tǒng)高速模塊相比,，dv/dt 更高。這種波形會(huì)使諧振DC/DC 轉(zhuǎn)換器的關(guān)斷損耗降低,。

4.2 用于6.5kV IGBT 設(shè)計(jì)
為了使電子元器件更小,，一種方法是使用更高電壓的IGBT。與采用3.3kV 的模塊相比,，6.5kV IGBT 可以減少元件個(gè)數(shù)與尺寸,。另外，通過將3.3kV 與6.5kV 模塊組合,，可實(shí)現(xiàn)若干種DC/DC 轉(zhuǎn)換器電路,。與3.3kV IGBT 模塊相同，傳統(tǒng)6.5kV IGBT 模塊優(yōu)化時(shí),，適用于低頻和硬開關(guān)工作,。為了適應(yīng)中頻和軟開關(guān)工作，與3.3kV IGBT 相似的設(shè)計(jì)概念也應(yīng)用在6.5kV IGBT 模塊中。

圖9 給出了6.5kV 新設(shè)計(jì)IGBT 模塊和傳統(tǒng)IGBT 模塊( 日立E2 型,，MBN500H65E2) 在DC/DC 轉(zhuǎn)換器模擬電路中的關(guān)斷波形,。與標(biāo)準(zhǔn)IGBT 相比，新設(shè)計(jì)的IGBT 的損耗低25%,。我們的新設(shè)計(jì)概念,，不僅適用于3.3kV IGBT，還適用于其他電壓級(jí)別的IGBT,。

4.3 4 次級(jí)端二極管整流器及其與SiC-JBS 對(duì)比
圖10 給出了恢復(fù)過程的整體波形,。這一工作模式模擬諧振DC/DC 轉(zhuǎn)換器的次級(jí)端二極管整流器,。除了傳統(tǒng)高速模塊和新設(shè)計(jì)模塊,，我們還評(píng)估了裝配著SiC- 肖特基二極管(JBS)的3.3kV / 200A 的SiC 混合模塊。之所以在典型電路中有必要評(píng)估SiC-JBS,，是因?yàn)樵贒C/DC 轉(zhuǎn)換器中,，用SiC 器件代替硅器件是減小轉(zhuǎn)換器的必由之路。

圖10(b) 給出了典型DC/DC 轉(zhuǎn)換器電路單周期工作的總能耗對(duì)比,。新設(shè)計(jì)模塊與傳統(tǒng)高速模塊比,，總能耗降低
47%。特別是恢復(fù)損耗降低迅速,。與傳統(tǒng)高速模塊相比,，新設(shè)計(jì)模塊的恢復(fù)功耗降低70% 以上。根據(jù)我們的結(jié)果,，SiC-JBS的能耗最低,。與傳統(tǒng)模塊相比，SiC-JBS 能耗下降率為58%,。

圖11 給出了反向恢復(fù)過程的擴(kuò)展波形,。新設(shè)計(jì)的IGBT模塊恢復(fù)特性顯然比傳統(tǒng)高速模塊更快，這與圖1 中的仿真結(jié)果相同,。因此,，恢復(fù)損耗下降率達(dá)到70%。對(duì)于SiC-JBS,，由于其結(jié)構(gòu)特征,，恢復(fù)電流近乎是零。這種情況恢復(fù)功耗最低,。

5 結(jié)論
基于通過壽命控制優(yōu)化快速掃出內(nèi)部載流子的理念,，新設(shè)計(jì)的3.3kV IGBT 模塊具有快速開關(guān)和快速恢復(fù)特性。在諧振DC/DC 轉(zhuǎn)換器模擬電路中,，與傳統(tǒng)高速模塊比,，初級(jí)端IGBT 的損耗降低15%，次級(jí)端二極管的損耗降低47%。通過降低IGBT 和二極管的損耗,，新設(shè)計(jì)的模塊將適用于雙向和中頻應(yīng)用,，例如DC/DC 諧振轉(zhuǎn)換器。這一設(shè)計(jì)概念也可用于6.5kVIGBT 和其他電壓等級(jí)器件,。因此,，可以考慮多種中頻應(yīng)用電路拓?fù)洹Ａ硗?，我們還在模擬電路中評(píng)估了SiC-JBS 二極管,。SiC-JBS 表現(xiàn)出最低功耗，對(duì)未來10kHz 以上的高頻應(yīng)用,，會(huì)帶來極大好處,。不管怎么說，我們期待新設(shè)計(jì)概念適用于中頻應(yīng)用,，在SiC-JBS 出現(xiàn)在功率半導(dǎo)體市場前是一個(gè)理想的解決方案,。