適用于高頻開關(guān)的高速IGBT模塊特點介紹

1 引言

如今節(jié)能的重要性日益顯著，將IGBT模塊用作開關(guān)器件的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展。為提高電能變換器的效率，研究者提出了很多新型拓?fù)潆娐?，因而市場上對IGBT模塊的需求也隨之不斷攀升。另一方面，由于IGBT的性能已經(jīng)接近“硅限”，所以需要一種面向應(yīng)用的IGBT模塊設(shè)計。就是說，我們要專門為這些電路和應(yīng)用而優(yōu)化IGBT的特性。

我們開發(fā)了一種適合高頻開關(guān)應(yīng)用（如焊機(jī)、感應(yīng)加熱和醫(yī)療儀器用電源）的新型高速模塊。為實現(xiàn)系統(tǒng)的高效率和小型化，這些應(yīng)用的開關(guān)頻率設(shè)定在20~50kHz。而在典型情況下，標(biāo)準(zhǔn)IGBT模塊的優(yōu)化，所針對的載波頻率卻是10kHz或更低。通常，在IGBT/FWD芯片的通態(tài)壓降和開關(guān)損耗之間有一個折衷關(guān)系。高速模塊在進(jìn)行性能折衷時，是讓通態(tài)電壓偏大，以換取偏低的開關(guān)功耗，從而能在高頻應(yīng)用中實現(xiàn)最低的總功耗。

本文介紹了新開發(fā)的IGBT模塊的設(shè)計理念。由于開關(guān)頻率范圍是20~50kHz或更高，因此在這些應(yīng)用中開關(guān)損耗（開通、關(guān)斷以及反向恢復(fù)損耗）是主要的功耗。

2 高開關(guān)頻率應(yīng)用電路

焊機(jī)和感應(yīng)加熱的典型電路圖如圖1所示。該電路由功率因數(shù)校正斬波器和半橋直流-直流變換器構(gòu)成。在這個電路中，半橋電路采用了一個二合一模塊，功因校正電路采用了一個斬波器模塊。其中，半橋電路要工作在高頻，以降低輸出紋波電流。

圖1 焊機(jī)電路圖

圖2 半橋直流-直流整流器中的IGBT電流和VCE波形

圖2給出了半橋變換器中IGBT模塊的電流和電壓波形。其中，T是開關(guān)工作的周期，TF是FWD的續(xù)流時間。這個續(xù)流時間很短，因為它是由變壓器漏感引起的。此外，當(dāng)IGBT開通時，IGBT的VCE已經(jīng)變?yōu)榱悖园霕蛑械拈_通損耗小至可以忽略（零電壓開關(guān)）。因此，在這個電路中，我們只對IGBT芯片提出低功耗要求。至于FWD，使用一個電流容量較小、具有標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)速度的器件就足夠了。

3 高速IGBT模塊的設(shè)計

我們?yōu)榇搜邪l(fā)了一種適用于高頻領(lǐng)域的新型IGBT模塊。本節(jié)將介紹其IGBT/FWD芯片的設(shè)計理念及其低熱阻封裝。

3.1高速IGBT芯片的設(shè)計

在IGBT的開發(fā)中，我們非常關(guān)注通態(tài)電壓（VCE（sat））和關(guān)斷損耗（Eoff）之間的折衷，如圖3所示。在高于20kHz的高頻開關(guān)應(yīng)用中，由于開關(guān)損耗在模塊的總功耗中份額已經(jīng)占優(yōu)，所以降低開關(guān)損耗就變得非常重要。為了使20~50kHz開關(guān)頻率下的總功耗降到最低，我們在設(shè)計IGBT芯片時將其性能設(shè)定在折衷曲線中VCE（sat） 偏高、Eoff偏低的位置上。

圖3 IGBT的折中特性

為降低開關(guān)損耗，我們采用了兩項技術(shù)：

（1）降低背面P+層的載流子密度（應(yīng)理解為摻雜濃度，下同——譯者注）；

（2）減小元胞的重復(fù)步距；

圖4給出了IGBT關(guān)斷過程中簡化的IC和Vce波形圖。通過優(yōu)化載流子密度，可以更容易地抽取殘余的過剩載流子。載流子密度的降低減小了拖尾電流，并且使IGBT的電流下降得更快，這樣就減小了IGBT電流下降過程中的關(guān)斷損耗。然而，如圖3所示，隨著關(guān)斷損耗的減小，通態(tài)電壓VCE（sat）會增大。此外，通過優(yōu)化反向傳輸電容（Cres）和輸入電容（Cies）的比率，可以縮短Vce的上升時間，從而減小了Vce上升過程中的關(guān)斷損耗。采用上述兩種改進(jìn)措施使總關(guān)斷損耗大為減小。圖6比較了標(biāo)準(zhǔn)IGBT模塊和新開發(fā)的高速IGBT模塊的關(guān)斷波形。后者的拖尾電流幾乎減為零，并且Vce上升時間變短。高速IGBT芯片的關(guān)斷損耗幾乎降至標(biāo)準(zhǔn)模塊的一半，但VCE（sat）則從2.1V增至4.0V。

圖4 關(guān)斷波形的改進(jìn)

圖5 高速IGBT芯片的橫截面圖

圖6 關(guān)斷波形的比較（200A/1200V模塊）IC=200A， Vdc=600V

3.2高速FWD芯片設(shè)計

如圖1所示，功因校正電路中的斬波器模塊需要一個高速FWD芯片，因為流經(jīng)二極管的是全電流，并在開關(guān)器件處形成一個硬開通過程。因此，反向恢復(fù)損耗（Err）在這種模塊的總損耗中占優(yōu)。與IGBT芯片類似，在FWD的正向電壓VF和Err之間也存在一個折衷關(guān)系。在高頻開關(guān)應(yīng)用中，為使FWD芯片的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變到正向壓降VF較高、Err較低的情況，我們采用了一個優(yōu)化的壽命控制工藝。圖7給出了標(biāo)準(zhǔn)FWD和新開發(fā)的高速FWD的反向恢復(fù)波形的比較。壽命控制使反向恢復(fù)電流減小。為降低反向恢復(fù)損耗，相比標(biāo)準(zhǔn)速度的FWD，我們提高了起壽命控制作用的雜質(zhì)的擴(kuò)散溫度。如表1所示，雖然VF增大了，但相比標(biāo)準(zhǔn)IGBT模塊，反向恢復(fù)損耗Err減小了60%。

圖7 反向恢復(fù)波形的改進(jìn)

If=100A，Vdc = 600 V電壓上升時間快于普通FWD，反向恢復(fù)電流有所降低

（1）功耗對比

圖8給出了在40kHz的半橋直流-直流變換器應(yīng)用中，新開發(fā)的高速IGBT模塊與第5代標(biāo)準(zhǔn)IGBT（富士的U4系列，2MBI200U4H-120-50）的總功耗對比。在這一功耗計算中，未計入開關(guān)器件的開通損耗和FWD的通態(tài)損耗，這是因為如第2節(jié)所述，這些損耗在半橋直流-直流變換器中小至可以忽略。高速IGBT的總功耗減小了25%，開關(guān)損耗減小了50%。當(dāng)開關(guān)頻率大于15kHz時，高速IGBT的損耗低于標(biāo)準(zhǔn)模塊。

圖8 IGBT功耗對比

圖10給出了斬波器模塊的總功耗對比?？偣慕档土?6%。隨著通態(tài)損耗上升50%，反向恢復(fù)損耗減小了30%。

圖10 斬波器模塊功耗對比

（2）低熱阻封裝

隨著電能變換系統(tǒng)的小型化和高功率密度化，對 IGBT模塊熱學(xué)特性的改進(jìn)變得越發(fā)重要。IGBT芯片較高的結(jié)溫，引發(fā)我們對模塊可靠性的關(guān)注。如圖9所示，與低頻應(yīng)用相比，高開關(guān)頻率下的總功耗較大。因此，為了降低高速模塊的結(jié)溫，需要減小熱阻（結(jié)殼之間）。改進(jìn)的高速模塊采用了一種由氮化硅（Si3N4）［4］ 制成的低熱阻DCB（直接銅鍵合）基底。常規(guī)的DCB基底由氧化鋁（Al2O3）制成。Si3N4的熱導(dǎo)率是Al2O3的4倍，在芯片尺寸相同時，熱阻Rth（j-c）減小了20%。

4 高速模塊

所有模塊的額定電壓都是1200V。二合一模塊的額定電流為100A到200A，斬波器模塊的額定電流為200A到400 A。圖12給出了封裝的外觀。該封裝是一個經(jīng)典的標(biāo)準(zhǔn)封裝（厚30mm）。其中，二合一模塊中所用的標(biāo)準(zhǔn)FWD芯片。這里并不需要一個高速FWD，因為在半橋DC-DC變換器中，流過FWD的電流很小，并且給開關(guān)器件形成一個軟開通條件。在斬波器模塊中，采用的是高速IGBT芯片和高速FWD芯片，因為在PFC電路中FWD是全電流導(dǎo)通。

圖12 高速IGBT模塊外觀

5 結(jié)論

開發(fā)了適合高頻應(yīng)用的高速IGBT模塊，本文介紹了其IGBT/FWD芯片的設(shè)計理念。研究結(jié)果顯示，在諸如焊機(jī)、等離子切割機(jī)、感應(yīng)加熱等應(yīng)用中，采用新型高速IGBT模塊能成功地將總功耗降低30~50%以上。所開發(fā)的高速模塊（含IGBT和FWD芯片）也能夠應(yīng)用于醫(yī)療儀器的核磁共振成像和X光系統(tǒng)電源、光伏（PV）逆變器和不間斷電源。