本文闡述第三代1200V 高速器件（“HS3”產(chǎn)品系列）,，它是專為焊接，太陽(yáng)能發(fā)電逆變器和UPS等高頻應(yīng)用設(shè)計(jì)的,。這些應(yīng)用的典型工作頻率范圍是20K--40KHz,，要求開(kāi)關(guān)損耗低于典型的傳動(dòng)應(yīng)用的損耗，后者在10KHZ甚至在更低范圍中應(yīng)用,。但是,，飽和電壓VCE，sat在整個(gè)損耗中仍起重要的作用,，為此要找到開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗之間良好的平衡,。文中提供了新產(chǎn)品的特性并和市場(chǎng)上的其他產(chǎn)品系列做了比較。這些新產(chǎn)品的效益在特定裝置的應(yīng)用中獲得了驗(yàn)證,。
1引言
電能的高效利用是電力電子獲得迅速發(fā)展的主要推動(dòng)力之一,。IGBT技術(shù)為這些應(yīng)用提供優(yōu)化的專用器件來(lái)支持這種趨勢(shì)[1]-[3]。雖然IGBT當(dāng)前的主要市場(chǎng)仍屬電力傳動(dòng)部分,，但最近幾年,，其他應(yīng)用領(lǐng)域，諸如UPS（不中斷電源）,，光伏逆變器也取得了顯著的市場(chǎng)份額,。對(duì)各種應(yīng)用——從大功率傳動(dòng)用的逆變器到獨(dú)特的烹調(diào)電器用的電線插孔（cooking hubs）——都是將它用作功率開(kāi)關(guān)。其中大多數(shù)是以DC/AC變換方式來(lái)應(yīng)用,，但仍有不同特性的要求,。例如，電力傳動(dòng)逆變器要求器件具有較強(qiáng)的堅(jiān)韌性,，包括應(yīng)付負(fù)載短路電流等失效模式的能力,。而用于UPS或太陽(yáng)能逆變器，則側(cè)重于效率和輸出信號(hào)的質(zhì)量,。這樣,，后者在較高頻率下驅(qū)動(dòng)時(shí)可減輕濾波器工作。當(dāng)然,，電力傳動(dòng)也一樣要求高效率,，因?yàn)橐⌒突鸵髧?yán)格限制系統(tǒng)的總損耗。本文介紹的新一代1200V高速（High Speed）IGBT3（簡(jiǎn)稱：HS3-系列）是針對(duì)UPS,，太陽(yáng)能逆變器和焊接等裝置應(yīng)用專門開(kāi)發(fā)的,。它側(cè)重于提高效率和用于高于20KHz的高頻開(kāi)關(guān),，以及具有更好的抗電磁干擾性能與軟開(kāi)關(guān)特性。
下文首先闡述IGBT和二極管的特點(diǎn),，再闡述所選應(yīng)用條件的優(yōu)點(diǎn),。
2 HS3產(chǎn)品特性
2.1技術(shù)概述：IGBT
HS3-IGBT產(chǎn)品系列是在已定型的TrenchStop2產(chǎn)品系列相同技術(shù)基礎(chǔ)上的延伸。針對(duì)前幾個(gè)技術(shù)發(fā)展階段和電壓等級(jí)（見(jiàn)圖1）,，英飛凌技術(shù)公司用現(xiàn)代薄片技術(shù)將溝槽（Trench）MOS單元結(jié)合場(chǎng)截止（Stop）理念進(jìn)行優(yōu)化,。為了優(yōu)化性能，這種理念允許對(duì)IGBT收集極特性進(jìn)行技術(shù)調(diào)制,。這種方法的好處本身表明,，尤其在耐短路電流和脈沖電流的堅(jiān)韌性方面是優(yōu)越的，軟開(kāi)關(guān)特性也一樣優(yōu)越,。不過(guò),，TrenchStop2系列的目標(biāo)是提高低、中頻直到20KHz的逆變器的效率,，而HS3系列則為高頻運(yùn)作優(yōu)化發(fā)射極,。
眾所周知，對(duì)給定的IGBT技術(shù)基礎(chǔ)（用單元布局和垂直設(shè)計(jì)為表征）,，在器件的漂移區(qū)采用等離子體技術(shù)調(diào)制可得到不同的器件特性,。調(diào)整IGBT器件中固有的PNP晶體管的增益，可找到傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗之間的關(guān)系或不同的折衷點(diǎn),。通常,，以關(guān)斷損耗Eoff作為傳導(dǎo)損耗（以額定電流下的飽和電壓VCE，sat表示）的函數(shù)關(guān)系作圖來(lái)說(shuō)明,。圖2示出HS3系列的優(yōu)化效果,，作為參考也列出以前各代器件的折衷點(diǎn)。
HS3產(chǎn)品和TrenchStop2產(chǎn)品相比,，關(guān)斷損耗減小了40%,，而飽和電壓VCE，sat卻被提高了400mV,。但是，和以前的快開(kāi)關(guān)IGBT相比, HS3產(chǎn)品的Eoff減小了15%,，同時(shí)減小的傳導(dǎo)損耗（VCE,，sat）大于1V。
下文討論新產(chǎn)品提供高于20KHz高頻應(yīng)用的新基準(zhǔn)性能,。
圖1 IGBT各代的變革
圖2 HS3（HighSpeed3）系列 和以前各代產(chǎn)品的導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗的折衷圖
HS3的另一個(gè)收效是它還具有平滑的開(kāi)關(guān)特性,，沒(méi)有干擾瞬變或高壓尖峰。圖3示出了HS3系列的IKW40N120H3和TrenchStop2系列的IKW40N20T2開(kāi)關(guān)曲線比較,。HS3器件表明具有很陡的電壓和電流斜率,，但仍能保持平滑的轉(zhuǎn)換到零電流而沒(méi)有過(guò)剩的拖尾電流,。
圖3 IKW40N120H3和IKW40N120T2在額定電流下開(kāi)關(guān)曲線的比較?？偩€電壓是800V,，器件溫度是175℃
2.2技術(shù)概述：二極管
當(dāng)需要IGBT并聯(lián)續(xù)流二極管應(yīng)用時(shí)，將HS3-IGBT與2007年引入的發(fā)射極控制二極管的第4代結(jié)構(gòu)組合[4],。它提供極佳的傳導(dǎo)損耗,，同時(shí)由于優(yōu)化了垂直設(shè)計(jì)使IGBT的導(dǎo)通損耗減至最小。
為進(jìn)一步改進(jìn),，對(duì)特定應(yīng)用的分析表明,，這些逆變器中的能量流動(dòng)是單向的。從熱學(xué)觀點(diǎn)來(lái)講,，橋式逆變器中續(xù)流二極管產(chǎn)生最大應(yīng)力的條件是在驅(qū)動(dòng)起動(dòng)或“制動(dòng)”時(shí),，用-cosφ來(lái)表征。在這種負(fù)載情況下,，二極管損耗的主要部分可以認(rèn)定為傳導(dǎo)損耗,。當(dāng)起動(dòng)不算在應(yīng)用范圍時(shí)，二極管的熱應(yīng)力狀態(tài)不嚴(yán)重,，此時(shí)損耗的主要部分是開(kāi)關(guān)損耗,。對(duì)高頻應(yīng)用，它提供了新的優(yōu)化機(jī)遇,。
應(yīng)當(dāng)指出,，二極管的損耗由漂移區(qū)中過(guò)剩載流子傳導(dǎo)的等離子體來(lái)決定。一方面,，由于其高載流子密度才能保證低的傳導(dǎo)損耗,，但另一方面要二極管維持電壓又必須從器件中將其抽走。而其電量（可用轉(zhuǎn)換時(shí)反向恢復(fù)電荷Qrr來(lái)表示）的增加線性地小于電流密度的增加,。因此,，如果對(duì)給定的電流，采用較小面積的二極管使其在高電流密度下驅(qū)動(dòng)的話,，二極管的開(kāi)關(guān)損耗和二極管引起IGBT導(dǎo)通損耗會(huì)減小,。當(dāng)然，要記住,，二極管的傳導(dǎo)損耗會(huì)隨電流密度的增加而增加,。
在HS3產(chǎn)品系列中，所用二極管的尺寸小于Tenchstop2系列,，以此來(lái)改善高頻性能,。圖4直觀地示出IKW40N120H3（為單向能流優(yōu)化的二極管）和IKW40N120T20（適于起動(dòng)模式）二極管參數(shù)的比較。
圖4 將IKW40N120H3和IKW40N120T2置于雙封裝產(chǎn)品中的二極管,，如對(duì)IKW40N120H3導(dǎo)通損耗的影響一樣,，比較了兩者二極管的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性,。
為提高系統(tǒng)效率而選擇二極管獲得的效益將在下面應(yīng)用部分討論。必須指出,，增加二極管電流密度的理念只可能用第4代發(fā)射極控制二極管的優(yōu)良堅(jiān)韌度來(lái)實(shí)現(xiàn),。而由于不同的IGBT/二極管的面積比，較高的電流密度和較快的開(kāi)關(guān)時(shí)間會(huì)增加動(dòng)態(tài)應(yīng)力,。對(duì)二極管應(yīng)力最好的量度是用二極管換向時(shí)產(chǎn)生的最大瞬態(tài)功耗Pdmax來(lái)表示,。圖5針對(duì)IKW40N120H3示出了第4代發(fā)射極控制二極管的特征性能。為得到這樣的應(yīng)力電平,，需要附加條件：IGBT開(kāi)關(guān)要維持在25°C,，而二極管要加熱到它的最高結(jié)溫。但在高端-低端器件上,，具有類似負(fù)載和損耗的實(shí)際應(yīng)用中,，開(kāi)關(guān)和二極管的溫度非常接近。因?yàn)閮烧咴趯?shí)驗(yàn)中有相同的冷卻條件和共同的引線框架,。為進(jìn)一步提高IGBT開(kāi)關(guān)速度,，必須在非常低的柵電阻和超過(guò)最大定額的高柵壓來(lái)驅(qū)動(dòng)。在典型應(yīng)用條件（Ugate=15V,，額定電流下）柵壓超過(guò)定額至少4成都未發(fā)現(xiàn)有破壞現(xiàn)象產(chǎn)生,。
圖5 二極管應(yīng)力用峰值功耗Pdmax來(lái)度量。甚至在超過(guò)規(guī)格限度的條件下也未達(dá)到破壞區(qū)域,。
2.3產(chǎn)品系列
HSp3產(chǎn)品系列分為3個(gè)電流檔次,，都用TO247工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝。所有的電流檔次都有單個(gè)IGBT和同封裝優(yōu)化的二極管,。其中25A電流檔的主要參數(shù)與Trenchstop2,、Fast IGBT產(chǎn)品系列的比較示于圖6。HSp3系列提供了高頻相關(guān)電參數(shù)的重要改進(jìn),。
圖6 HS3系列產(chǎn)品的IKW25N120H3與以前各檔次產(chǎn)品IKW25N120T2,、SKW25N120的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的比較。所有動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是在總線電壓600V,，柵電阻22.3Ω（IKW25N120H3的額定值）時(shí)給出,。
3應(yīng)用研究
3.1具有正弦電流輸出的逆變器
在許多應(yīng)用中，電力電子系統(tǒng)的主要功能是將DC總線電壓轉(zhuǎn)換為正弦AC信號(hào),。在UPS應(yīng)用的功能是,，當(dāng)斷電時(shí)，其輸出信號(hào)將立刻仿真和取代外電網(wǎng),。對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，則是將光伏板面上產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為和電網(wǎng)特征相匹配的2相-3相交流信號(hào),，并把產(chǎn)生的電力高效地輸入到電網(wǎng)中,。
廣泛使用的拓?fù)涫蔷哂胁煌瑪?shù)量支路的橋式結(jié)構(gòu),，其中的開(kāi)關(guān)是用預(yù)期高于輸出頻率的恒定頻率下驅(qū)動(dòng)的，所要求的波形用脈寬調(diào)制（PWM）法產(chǎn)生,。
顯然,，整個(gè)逆變器的效率是設(shè)計(jì)的依據(jù)，因?yàn)樗鼪Q定UPS的中間轉(zhuǎn)換能力和太陽(yáng)能發(fā)電的有效功率輸出,。有源元件（功率開(kāi)關(guān)）和無(wú)源元件（磁元件）都會(huì)產(chǎn)生損耗,。對(duì)于有源元件，由IGBT和二極管組成的單個(gè)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的損耗很容易從組成的功率器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性計(jì)算出來(lái)[5],，[6],。
計(jì)算損耗的一個(gè)重要參數(shù)是負(fù)載特征，即產(chǎn)生輸出信號(hào)的功率因數(shù),，用其電壓和電流之間的相角φ的COS函數(shù)表示,。
圖7示出橋式結(jié)構(gòu)中單個(gè)開(kāi)關(guān)損耗的仿真結(jié)果，電橋的輸出電流：40Arms,，輸入總線電壓600V,。三個(gè)作比較的開(kāi)關(guān)器件分別是40A-HS3、40A-TrechStop2和一個(gè)基準(zhǔn)對(duì)比器件的單個(gè)器件,。逆變器的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)在20KHz,。
圖7 在20KHz逆變器中，對(duì)輸出信號(hào)（50Hz40Arms）的不同功率因數(shù),，IKW40N120H3,、IKW40N120T2和基準(zhǔn)對(duì)比器件的損耗?？偩€電壓設(shè)在600V,。
由圖7可見(jiàn)，新HS3器件提供了最好的性能,。對(duì)所有對(duì)比的器件,，IGBT的損耗占絕大部分，其中開(kāi)關(guān)瞬間產(chǎn)生的損耗又占主要部分,。值得注意的是HS3中的IGBT和二極管二者的損耗和基準(zhǔn)對(duì)比器件TrenchStop2相比還有所減少,。
從上述損耗對(duì)比可見(jiàn)，對(duì)不需要雙向能流的應(yīng)用,，HS3產(chǎn)品顯著提高了逆變器的效率,。從系統(tǒng)觀點(diǎn)來(lái)看，這對(duì)給定輸出功率和開(kāi)關(guān)頻率,，可降低冷卻的要求,。或者說(shuō)，如維持開(kāi)關(guān)損耗,、冷卻條件和磁元件尺寸不變,，則可提高開(kāi)關(guān)速度，還可降低系統(tǒng)成本,。
對(duì)給定一組條件來(lái)計(jì)算最大可能輸出均方根電流,，也是一種判斷器件能力的方法
圖8 針對(duì)不同的功率因數(shù)，逆變器受熱限制的最大輸出電流
隨開(kāi)關(guān)頻率的變化而改變的函數(shù)關(guān)系圖,。
圖8 示出,，針對(duì)一組不同的功率因數(shù)，IKW40N120H3的最大rms（均方根）輸出電流作為頻率的函數(shù)關(guān)系,。其輸出功率的極限是假定器件已達(dá)到最大結(jié)溫而管殼溫度保持在80°C時(shí)計(jì)算出來(lái)的,。在60KHz開(kāi)關(guān)頻率（對(duì)應(yīng)峰值電流約為85A），功率因數(shù)都是1.0和0.7時(shí),，IKW40N20H3能提供輸出電流40Arms,。盡管優(yōu)化二極管的小的熱尺寸，限制的主要部分仍是IGBT,。作為驗(yàn)證,，也示出了功率因數(shù)為—0.7在20KHz（對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)逆變器的典型制動(dòng)條件）時(shí)二極管的最大輸出電流。這時(shí),，二極管是高應(yīng)力和小尺寸組合,，其最大輸出電流約為25Arms（圖8中顯示最大輸出電流約為45Arms，疑誤,。——譯者）,。
3.2具有三角形和梯形電流的升壓轉(zhuǎn)換器
本節(jié)討論第2種拓?fù)漕愋褪巧龎恨D(zhuǎn)換器。它是太陽(yáng)能逆變器的升壓級(jí),，將在惡劣天氣條件下太陽(yáng)能面板的低輸出電壓提升,。對(duì)UPS系統(tǒng)是作電池充電器。
此時(shí)的拓?fù)洳恍枰獌?nèi)部的續(xù)流二極管,。然而,，實(shí)際上由于安全原因仍然保留著，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)寄生振蕩,，需要箝住負(fù)電壓,。升壓轉(zhuǎn)換器可以在非連續(xù)電流模式（DCM，開(kāi)關(guān)中是三角電流波形）工作,，也可在連續(xù)電流模式（CCM,，不規(guī)則四邊形電流波形）工作。后者在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和二極管換向時(shí)的次側(cè)產(chǎn)生損耗,。做為模型計(jì)算,，要考慮在小功率電平下從CCM 轉(zhuǎn)換DCM 時(shí)的兩種工作模式,。
圖9 升壓轉(zhuǎn)換器（上圖是DCM、下圖是CCM模式）受熱限制的最大輸出電流和開(kāi)關(guān)頻率的函數(shù)關(guān)系,。具體條件見(jiàn)正文,。
圖9示出升壓轉(zhuǎn)換器受熱限制的最大輸出電流和開(kāi)關(guān)頻率的函數(shù)關(guān)系圖。圖中假定,，開(kāi)關(guān)在阻斷電壓為800V，TcaseE=110℃,、Tj=150℃時(shí)工作,。對(duì)DCM，假定占空因數(shù)d=0.3,，對(duì)CCM,，d=0.5，并假定,，導(dǎo)通電流是關(guān)斷電流的50%,。導(dǎo)通損耗采用了反向恢復(fù)時(shí)間可忽略的SiC二極管IDH0S120來(lái)測(cè)定的，這樣顯著的減小了導(dǎo)通損耗,。
對(duì)這兩種運(yùn)作條件,， HS3顯出最好的性能。對(duì)DCM,，得到的電流比當(dāng)前最好檔次的產(chǎn)品高20%,，并和頻率無(wú)關(guān)。對(duì)CCM,，特別是和SKW25N20相比,，差別略小一些。這兩項(xiàng)的對(duì)比很重要,。
首先,，HS3的最大結(jié)溫是175℃，而SKW25N120是150℃,。這樣,，對(duì)IKW25N120H3來(lái)講，提高器件P-N結(jié)和管殼的溫差ΔT時(shí)有可能得到更大的電流,。而對(duì)SKW25N20來(lái)講,，這些條件已使它達(dá)到最大定額。
其次,，業(yè)已表明,，更好的利用新一代硅可提高Rthjc大約15%。正如在本文熱仿真條件下,，對(duì)同樣的輸出電流,，IKW25N120H3的絕對(duì)損耗水平低大約15%，系統(tǒng)效率更好。提高最大結(jié)溫的同時(shí),，還開(kāi)拓了這類應(yīng)用的系統(tǒng)優(yōu)化途徑,，將得到效率和功率密度之間新的折衷條件。
4結(jié)論
本文介紹了新一代1200V HS3產(chǎn)品系列,，討論了IGBT和二極管二者與當(dāng)前最好檔次產(chǎn)品相比后的電參數(shù)的改進(jìn),。對(duì)具有正弦波輸出的橋式逆變器和升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，這些改進(jìn)已轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)效率和最大輸出電流,。而且表明,，新一代HS3產(chǎn)品系列在高于20KHz范圍中提供了基準(zhǔn)性能，因?yàn)樵诖祟l段,，它對(duì)IGBT和二極管兩者在開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗之間取得均衡的損耗分配,。
參考文獻(xiàn)
[1].T.Laska,A.Mauder.L.Lorenz:“The Field Stop IGBT Concept with an Optimized Diode”Proceedings PCIM Europe 2000
[2].Yizheng.zhou.W.frank.Ziying Chen,“New Trench Field IGBT in UPS Application”Proc.PCIM.China 2007
[3]H.Husken,W frank.F.Hille.Ziying Chen.“A New high voltage diode technologywith reduced switching loseses and improved Softness”Proc.PCIM.Europe 2007.
[4].F.Hille,M.babler.H.P.Feise.E.Falck.A.schieber.A.Mauder.“1200V Emcon4 freewheeling diode—a soft alternative”Proc of ISPSD 2007
[5].“Dimensioning program IPOSIM for loss and thermal caculation of Infineon IGBT modules”Infineon Technologies,2006 And references therein
[6].D.Srajber,W.Lukasch, “The calculation of the power dissipation for the IGBT and the inverse diode in circuits with the Sinusoidal output voltage”Proceedings electronica ’92.