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適用于高頻開關的高速IGBT模塊特點介紹

電子設計 ? 作者:電子設計 ? 2018-10-29 09:05 ? 次閱讀

1 引言

如今節能的重要性日益顯著,將IGBT模塊用作開關器件的應用領域也不斷拓展。為提高電能變換器的效率,研究者提出了很多新型拓撲電路,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的性能已經接近“硅限”,所以需要一種面向應用的IGBT模塊設計。就是說,我們要專門為這些電路和應用而優化IGBT的特性。

我們開發了一種適合高頻開關應用(如焊機、感應加熱和醫療儀器用電源)的新型高速模塊。為實現系統的高效率和小型化,這些應用的開關頻率設定在20~50kHz。而在典型情況下,標準IGBT模塊的優化,所針對的載波頻率卻是10kHz或更低。通常,在IGBT/FWD芯片的通態壓降和開關損耗之間有一個折衷關系。高速模塊在進行性能折衷時,是讓通態電壓偏大,以換取偏低的開關功耗,從而能在高頻應用中實現最低的總功耗。

本文介紹了新開發的IGBT模塊的設計理念。由于開關頻率范圍是20~50kHz或更高,因此在這些應用中開關損耗(開通、關斷以及反向恢復損耗)是主要的功耗。

2 高開關頻率應用電路

焊機和感應加熱的典型電路圖如圖1所示。該電路由功率因數校正斬波器和半橋直流-直流變換器構成。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

適用于高頻開關的高速IGBT模塊特點介紹

圖1 焊機電路圖

適用于高頻開關的高速IGBT模塊特點介紹

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是開關工作的周期,TF是FWD的續流時間。這個續流時間很短,因為它是由變壓器漏感引起的。此外,當IGBT開通時,IGBT的VCE已經變為零,所以半橋中的開通損耗小至可以忽略(零電壓開關)。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、具有標準開關速度的器件就足夠了。

3 高速IGBT模塊的設計

我們為此研發了一種適用于高頻領域的新型IGBT模塊。本節將介紹其IGBT/FWD芯片的設計理念及其低熱阻封裝。

3.1高速IGBT芯片的設計

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

適用于高頻開關的高速IGBT模塊特點介紹

圖3 IGBT的折中特性

為降低開關損耗,我們采用了兩項技術:

(1)降低背面P+層的載流子密度(應理解為摻雜濃度,下同——譯者注);

(2)減小元胞的重復步距;

圖4給出了IGBT關斷過程中簡化的IC和Vce波形圖。通過優化載流子密度,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斷損耗。然而,如圖3所示,隨著關斷損耗的減小,通態電壓VCE(sat)會增大。此外,通過優化反向傳輸電容(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上升過程中的關斷損耗。采用上述兩種改進措施使總關斷損耗大為減小。圖6比較了標準IGBT模塊和新開發的高速IGBT模塊的關斷波形。后者的拖尾電流幾乎減為零,并且Vce上升時間變短。高速IGBT芯片的關斷損耗幾乎降至標準模塊的一半,但VCE(sat)則從2.1V增至4.0V。

適用于高頻開關的高速IGBT模塊特點介紹

圖4 關斷波形的改進

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圖5 高速IGBT芯片的橫截面圖

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

3.2高速FWD芯片設計

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,因為流經二極管的是全電流,并在開關器件處形成一個硬開通過程。因此,反向恢復損耗(Err)在這種模塊的總損耗中占優。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系。在高頻開關應用中,為使FWD芯片的工作狀態轉變到正向壓降VF較高、Err較低的情況,我們采用了一個優化的壽命控制工藝。圖7給出了標準FWD和新開發的高速FWD的反向恢復波形的比較。壽命控制使反向恢復電流減小。為降低反向恢復損耗,相比標準速度的FWD,我們提高了起壽命控制作用的雜質的擴散溫度。如表1所示,雖然VF增大了,但相比標準IGBT模塊,反向恢復損耗Err減小了60%。

適用于高頻開關的高速IGBT模塊特點介紹

圖7 反向恢復波形的改進

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

(1)功耗對比

圖8給出了在40kHz的半橋直流-直流變換器應用中,新開發的高速IGBT模塊與第5代標準IGBT(富士的U4系列,2MBI200U4H-120-50)的總功耗對比。在這一功耗計算中,未計入開關器件的開通損耗和FWD的通態損耗,這是因為如第2節所述,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%,開關損耗減小了50%。當開關頻率大于15kHz時,高速IGBT的損耗低于標準模塊。

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圖8 IGBT功耗對比

圖10給出了斬波器模塊的總功耗對比。總功耗降低了36%。隨著通態損耗上升50%,反向恢復損耗減小了30%。

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圖10 斬波器模塊功耗對比

(2)低熱阻封裝

隨著電能變換系統的小型化和高功率密度化,對 IGBT模塊熱學特性的改進變得越發重要。IGBT芯片較高的結溫,引發我們對模塊可靠性的關注。如圖9所示,與低頻應用相比,高開關頻率下的總功耗較大。因此,為了降低高速模塊的結溫,需要減小熱阻(結殼之間)。改進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。常規的DCB基底由氧化鋁(Al2O3)制成。Si3N4的熱導率是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。該封裝是一個經典的標準封裝(厚30mm)。其中,二合一模塊中所用的標準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是全電流導通。

圖12 高速IGBT模塊外觀

5 結論

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

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