1200V TRENCHSTOP? IGBT7 H7單管性能分析及其在T型三電平拓撲中的應用

/ 引言 /

英飛凌TRENCHSTOP IGBT7系列單管具有兩種電壓等級（650V&1200V）和三個系列（T7，S7，H7）。其中，H7系列單管針對光儲、UPS、EV charger、焊機等應用進行了專門的優(yōu)化，并配備了全電流EC7 rapid二極管。憑借極低的開關損耗、導通損耗和豐富的產品系列，H7單管正在成為光伏和儲能應用的新星。

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產品特點

按照應用需求去定義產品，去掉短路能力從而獲得更低的開關損耗和導通損耗，如圖1所示。完美適配于不需要短路能力的光儲等應用。

1200V H7系列有四種封裝，電流規(guī)格覆蓋40A-140A。其中140A的電流規(guī)格為市場首發(fā)，如圖2所示。而英飛凌上一代1200V 高速單管HIGHSPEED3 H3的最大電流規(guī)格僅為75A。

1200V H7全系列配置全電流規(guī)格的EC7 Rapid二極管，適配整流工況。

更強的防潮和抗宇宙射線能力。

圖1 英飛凌不同1200V單管的開關損耗和導通損耗對比

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產品系列

圖2 1200V H7單管產品系列

標注：TO247-4pin assymetric為開爾文引腳、柵極引腳變細的TO247-4封裝，有助于避免連錫、加強絕緣性能。

TRENCHSTOP IGBT7 H7

與HIGHSPEED H3對比

1200V HIGHSPEED3 H3 IGBT針對高頻應用進行了優(yōu)化，具有很短的拖尾電流和很小的關斷損耗；因為采用了TRENCHSTOP技術，其導通損耗也很低。因此，H3單管廣泛應用于光伏、儲能、UPS等領域。而1200V H7單管更近一步，表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能。

下圖為IKW40N120H3和IKW40N120CH7的在相同條件下的雙脈沖測試結果：

測試電壓：600V

測試電流：20A

測試溫度：室溫25°C

柵極電阻：10Ω

圖3 H3開通波形 @600V，20A，25°C

圖4 H7開通波形 @600V，20A，25°C

圖5 H3關斷波形 @600V，20A，25°C

圖6 H7關斷波形 @600V，20A，25°

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分析雙脈沖結果可見，H7系列單管具有更快的開關速度，而且其開通損耗比H3降低22.4%，關斷損耗降低了34.5%，且具有更短的拖尾電流。另外，規(guī)格書顯示，IKW40N120H7的Vce(sat)比IKW40N120CH3低25.9%。

由雙脈沖結果可知，1200V H7單管適用于光儲中的Boost、T型三電平、DCDC等高開關頻率拓撲。下面以T型三電平為例，通過PLECS軟件和英飛凌官網提供的PLECS模型進行仿真：

圖7 仿真拓撲：T型三電平

工況：20kW、10%過載、Vout=380V、PF=1、fsw=18kHz、風冷

在相同工況下，H7單管的導通損耗略低于H3，開關損耗降低接近一半，較低的總損耗會使得散熱器的溫度降低。但H7芯片的面積比H3小，導致的較大熱阻不利于結溫的降低，盡管如此，H7單管的結溫仍然比H3單管低13.8°C。也就是說，可以用H7單管代替之前設計中的同電流規(guī)格H3單管，并獲得更高的結溫裕量。

隨著1200V H7單管電流規(guī)格的增大，其芯片面積增大，熱阻降低，帶來更好的性能。下面使用75A規(guī)格的IKQ75N120CH7與100A規(guī)格的IKQ100N120CH7分別應用于30kW和40kW的T型三電平拓撲進行仿真。

工況：30kW、10%過載、380V輸出、PF=1、fsw=18kHz、風冷

工況：40kW、10%過載、Vout=380V輸出、PF=1、fsw=16kHz、風冷

可見，可以通過單顆大電流單管進行更高功率逆變器的設計，但是需要合理的散熱來解決單顆TO247PLUS封裝上高達80W的功耗。值得一提的是：對大電流的單管，降低其Rth(c-h)將獲得更大的收益。因為大電流單管的Rth(c-h)占有更大比例。

1200V H7單管在光伏和儲能系統(tǒng)中的應用

1200V H7系列單管完美適用于T型三電平的豎管。通常情況下，T型三電平的直流母線在700-850V之間，豎管需要選用1200V耐壓的IGBT；逆變器開關頻率通常較高，同時其工作原理決定了開關損耗占比較大，所以豎管需要具有低的開關損耗；光伏逆變器要求支持±0.8的功率因數(shù)，儲能逆變器要求達到-1的功率因數(shù)，1200V H7系列單管配置的全電流規(guī)格EC7 Rapid二極管可以處理這種整流工況。為了增大IGBT出電流能力，50A至140A的1200V H7單管提供TO247PLUS封裝，在裝載更大面積芯片的同時提供了比TO247封裝具有更大的散熱焊盤。

圖8 TO247-3 VS TO247PLUS-3

當下，光伏逆變器降本壓力增大，越來越多的光伏逆變器企業(yè)開始嘗試100kW及以上逆變器的大電流單管并聯(lián)解決方案。目前，英飛凌1200V H7單管的100A、120A、140A規(guī)格是其豎管的最優(yōu)解決方案。通過仿真和熱測試的評估發(fā)現(xiàn)，兩并聯(lián)或三并聯(lián)方案配合良好的散熱設計，1200V H7系列單管可以輕松實現(xiàn)100kW+的逆變器。

值得一提的是，對TO247PLUS-4封裝的單管，由于開爾文射極的存在，驅動回路電感減小，開關速度增快；同芯片技術、同電流規(guī)格時，其開關損耗比TO247PLUS-3降低20%。這對光伏逆變器廠家沖擊更高功率規(guī)格的逆變器提供巨大幫助。但增快的開關速度會增大IGBT的關斷電壓尖峰，需要注意功率回路雜感的優(yōu)化。

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總結

?英飛凌1200V TRENCHSTOP7 IGBT7 H7系列單管具有多種電流規(guī)格、豐富的封裝形式、極低的開關損耗、導通損耗，是光儲應用中的優(yōu)選型號。

?相較于英飛凌上一代1200V H3單管，H7單管具有更好的表現(xiàn)，同電流規(guī)格的單管可以實現(xiàn)更大功率的機型。

?多顆大電流H7單管并聯(lián)可以實現(xiàn)100kW及以上逆變器。

?大電流單管應用中降低Rth(c-h)會獲得更大收益。