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(lái)說(shuō)，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(chē)，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(chē)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?cè)趦?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(kāi)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(lái)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(kāi)關(guān)損耗或恢復(fù)損耗。簡(jiǎn)單地說(shuō)，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(guò)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(jiàn)圖1(a) 和圖1(b)。圖1(c)- 圖1(f) 給出了二極管恢復(fù)過(guò)程內(nèi)部電子或空穴密度變化過(guò)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(guò)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(yáng)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(guò)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(xiàn)。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(guò)降低開(kāi)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(guò)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(guò)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(cè)試了開(kāi)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(cè)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(kāi)關(guān)過(guò)程，假定開(kāi)關(guān)頻率6kHz。通常，傳統(tǒng)IGBT 模塊工作在硬開(kāi)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(kāi)關(guān)模式以減小開(kāi)關(guān)損耗。在圖7(a) 的開(kāi)通過(guò)程，模擬了零壓開(kāi)關(guān)模式(ZVS)，即在導(dǎo)通前VCE 已變?yōu)?。因此，開(kāi)關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗相比很低。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，開(kāi)通損耗占總損耗的3%。在關(guān)斷過(guò)程，是近零電流開(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)關(guān)工作。為了適應(yīng)中頻和軟開(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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)?。另外，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(lái)10kHz 以上的高頻應(yīng)用，會(huì)帶來(lái)極大好處。不管怎么說(shuō)，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(chǎng)前是一個(gè)理想的解決方案。