本文闡述第三代1200V 高速器件（“HS3”產(chǎn)品系列），它是專為焊接，太陽能發(fā)電逆變器和UPS等高頻應(yīng)用設(shè)計的。這些應(yīng)用的典型工作頻率范圍是20K--40KHz，要求開關(guān)損耗低于典型的傳動應(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在整個損耗中仍起重要的作用，為此要找到開關(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)展的主要推動力之一。IGBT技術(shù)為這些應(yīng)用提供優(yōu)化的專用器件來支持這種趨勢[1]-[3]。雖然IGBT當(dāng)前的主要市場仍屬電力傳動部分，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份額。對各種應(yīng)用——從大功率傳動用的逆變器到獨(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關(guān)。其中大多數(shù)是以DC/AC變換方式來應(yīng)用，但仍有不同特性的要求。例如，電力傳動逆變器要求器件具有較強(qiáng)的堅韌性，包括應(yīng)付負(fù)載短路電流等失效模式的能力。而用于UPS或太陽能逆變器，則側(cè)重于效率和輸出信號的質(zhì)量。這樣，后者在較高頻率下驅(qū)動時可減輕濾波器工作。當(dāng)然，電力傳動也一樣要求高效率，因為要小型化就要求嚴(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（簡稱：HS3-系列）是針對UPS，太陽能逆變器和焊接等裝置應(yīng)用專門開發(fā)的。它側(cè)重于提高效率和用于高于20KHz的高頻開關(guān)，以及具有更好的抗電磁干擾性能與軟開關(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。針對前幾個技術(shù)發(fā)展階段和電壓等級（見圖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韌性方面是優(yōu)越的，軟開關(guān)特性也一樣優(yōu)越。不過，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，對給定的IGBT技術(shù)基礎(chǔ)（用單元布局和垂直設(shè)計為表征），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)系作圖來說明。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，和以前的快開關(guān)IGBT相比, HS3產(chǎn)品的Eoff減小了15%，同時減小的傳導(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的另一個收效是它還具有平滑的開關(guān)特性，沒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)換到零電流而沒有過剩的拖尾電流。
圖3 IKW40N120H3和IKW40N120T2在額定電流下開關(guān)曲線的比較。總線電壓是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，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，同時由于優(yōu)化了垂直設(shè)計使IGBT的導(dǎo)通損耗減至最小。
為進(jìn)一步改進(jìn)，對特定應(yīng)用的分析表明，這些逆變器中的能量流動是單向的。從熱學(xué)觀點(diǎn)來講，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)動起動或“制動”時，用-cosφ來表征。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)起動不算在應(yīng)用范圍時，二極管的熱應(yīng)力狀態(tài)不嚴(yán)重，此時損耗的主要部分是開關(guān)損耗。對高頻應(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)中過剩載流子傳導(dǎo)的等離子體來決定。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)換時反向恢復(fù)電荷Qrr來表示）的增加線性地小于電流密度的增加。因此，如果對給定的電流，采用較小面積的二極管使其在高電流密度下驅(qū)動的話，二極管的開關(guān)損耗和二極管引起IGBT導(dǎo)通損耗會減小。當(dāng)然，要記住，二極管的傳導(dǎo)損耗會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)良堅韌度來實現(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關(guān)時間會增加動態(tài)應(yīng)力。對二極管應(yīng)力最好的量度是用二極管換向時產(chǎn)生的最大瞬態(tài)功耗Pdmax來表示。圖5針對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)載和損耗的實際應(yīng)用中，開關(guān)和二極管的溫度非常接近。因為兩者在實驗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開關(guān)速度，必須在非常低的柵電阻和超過最大定額的高柵壓來驅(qū)動。在典型應(yīng)用條件（Ugate=15V，額定電流下）柵壓超過定額至少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來度量。甚至在超過規(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)和動態(tài)參數(shù)的比較。所有動態(tài)數(shù)據(jù)是在總線電壓600V，柵電阻22.3Ω（IKW25N120H3的額定值）時給出。
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。在UPS應(yīng)用的功能是，當(dāng)斷電時，其輸出信號將立刻仿真和取代外電網(wǎng)。對太陽能發(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，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)，其中的開關(guān)是用預(yù)期高于輸出頻率的恒定頻率下驅(qū)動的，所要求的波形用脈寬調(diào)制（PWM）法產(chǎn)生。
顯然，整個逆變器的效率是設(shè)計的依據(jù)，因為它決定UPS的中間轉(zhuǎn)換能力和太陽能發(fā)電的有效功率輸出。有源元件（功率開關(guān)）和無源元件（磁元件）都會產(chǎn)生損耗。對于有源元件，由IGBT和二極管組成的單個開關(guān)產(chǎn)生的損耗很容易從組成的功率器件的靜態(tài)和動態(tài)特性計算出來[5]，[6]。
計算損耗的一個重要參數(shù)是負(fù)載特征，即產(chǎn)生輸出信號的功率因數(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)中單個開關(guān)損耗的仿真結(jié)果，電橋的輸出電流：40Arms，輸入總線電壓600V。三個作比較的開關(guān)器件分別是40A-HS3、40A-TrechStop2和一個基準(zhǔn)對比器件的單個器件。逆變器的開關(guān)頻率設(shè)在20KHz。
圖7 在20KHz逆變器中，對輸出信號（50Hz40Arms）的不同功率因數(shù)，IKW40N120H3、IKW40N120T2和基準(zhǔn)對比器件的損耗?？偩€電壓設(shè)在600V。
由圖7可見，新HS3器件提供了最好的性能。對所有對比的器件，IGBT的損耗占絕大部分，其中開關(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)對比器件TrenchStop2相比還有所減少。
從上述損耗對比可見，對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)來看，這對給定輸出功率和開關(guān)頻率，可降低冷卻的要求?；蛘哒f，如維持開關(guān)損耗、冷卻條件和磁元件尺寸不變，則可提高開關(guān)速度，還可降低系統(tǒng)成本。
對給定一組條件來計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 針對不同的功率因數(shù)，逆變器受熱限制的最大輸出電流
隨開關(guān)頻率的變化而改變的函數(shù)關(guān)系圖。
圖8 示出，針對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時計算出來的。在60KHz開關(guān)頻率（對應(yīng)峰值電流約為85A），功率因數(shù)都是1.0和0.7時，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。作為驗證，也示出了功率因數(shù)為—0.7在20KHz（對應(yīng)驅(qū)動逆變器的典型制動條件）時二極管的最大輸出電流。這時，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。它是太陽能逆變器的升壓級，將在惡劣天氣條件下太陽能面板的低輸出電壓提升。對UPS系統(tǒng)是作電池充電器。
此時的拓?fù)洳恍枰獌?nèi)部的續(xù)流二極管。然而，實際上由于安全原因仍然保留著，因為開關(guān)過程中會出現(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。后者在開關(guān)導(dǎo)通和二極管換向時的次側(cè)產(chǎn)生損耗。做為模型計算，要考慮在小功率電平下從CCM 轉(zhuǎn)換DCM 時的兩種工作模式。
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關(guān)頻率的函數(shù)關(guān)系。具體條件見正文。
圖9示出升壓轉(zhuǎn)換器受熱限制的最大輸出電流和開關(guān)頻率的函數(shù)關(guān)系圖。圖中假定，開關(guān)在阻斷電壓為800V，TcaseE=110℃、Tj=150℃時工作。對DCM，假定占空因數(shù)d=0.3，對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)時間可忽略的SiC二極管IDH0S120來測定的，這樣顯著的減小了導(dǎo)通損耗。
對這兩種運(yùn)作條件， HS3顯出最好的性能。對DCM，得到的電流比當(dāng)前最好檔次的產(chǎn)品高20%，并和頻率無關(guān)。對CCM，特別是和SKW25N20相比，差別略小一些。這兩項的對比很重要。
首先，HS3的最大結(jié)溫是175℃，而SKW25N120是150℃。這樣，對IKW25N120H3來講，提高器件P-N結(jié)和管殼的溫差ΔT時有可能得到更大的電流。而對SKW25N20來講，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，對同樣的輸出電流，IKW25N120H3的絕對損耗水平低大約15%，系統(tǒng)效率更好。提高最大結(jié)溫的同時，還開拓了這類應(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)。對具有正弦波輸出的橋式逆變器和升壓轉(zhuǎn)換器來說，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，因為在此頻段，它對IGBT和二極管兩者在開關(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)
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