摘要:醫(yī)療儀器、焊機(jī)和等離子切割機(jī)用電源的市場(chǎng)在不斷擴(kuò)大，這些設(shè)備工作在20~50kHz或更高的高頻范圍。本文講述了近來(lái)開(kāi)發(fā)的、用于這一高頻領(lǐng)域的IGBT模塊的設(shè)計(jì)理念。由于在這些應(yīng)用中工作頻段為高頻范圍，因此器件的開(kāi)關(guān)損耗（開(kāi)通、關(guān)斷以及反向恢復(fù)損耗）是主要的功耗。通過(guò)降低背P+層載流子密度（應(yīng)理解為摻雜濃度——譯者注），減小IGBT芯片中元胞的重復(fù)步距，并優(yōu)化IGBT/FWD通態(tài)電壓與開(kāi)關(guān)損耗之間的折衷關(guān)系，可以得到更低的開(kāi)關(guān)損耗。因而，這種新開(kāi)發(fā)的IGBT模塊的總功耗比標(biāo)準(zhǔn)IGBT模塊（第5代系列）降低了25%。使用這種模塊，能進(jìn)一步提高效率、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。

1引言

如今節(jié)能的重要性日益顯著，將IGBT模塊用作開(kāi)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?chǎng)上對(duì)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(jì)。就是說(shuō)，我們要專(zhuān)門(mén)為這些電路和應(yīng)用而優(yōu)化IGBT的特性。

我們開(kāi)發(fā)了一種適合高頻開(kāi)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效率和小型化，這些應(yīng)用的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定在20~50kHz ^{[2] [3]}。而在典型情況下，標(biāo)準(zhǔn)IGBT模塊的優(yōu)化，所針對(duì)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(kāi)關(guān)損耗之間有一個(gè)折衷關(guān)系。高速模塊在進(jìn)行性能折衷時(shí)，是讓通態(tài)電壓偏大，以換取偏低的開(kāi)關(guān)功耗，從而能在高頻應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最低的總功耗。

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

2高開(kāi)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(gè)電路中，半橋電路采用了一個(gè)二合一模塊，功因校正電路采用了一個(gè)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V_CE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(kāi)關(guān)工作的周期，T_F是FWD的續(xù)流時(shí)間。這個(gè)續(xù)流時(shí)間很短，因?yàn)樗怯勺儔浩髀└幸鸬?。此外，?dāng)IGBT開(kāi)通時(shí)，IGBT的V_CE已經(jīng)變?yōu)榱?，所以半橋中的開(kāi)通損耗小至可以忽略（零電壓開(kāi)關(guān)）。因此，在這個(gè)電路中，我們只對(duì)IGBT芯片提出低功耗要求。至于FWD，使用一個(gè)電流容量較小、具有標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)速度的器件就足夠了。

3高速I(mǎi)GBT模塊的設(shè)計(jì)

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(jì)理念及其低熱阻封裝。

3.1 高速I(mǎi)GBT芯片的設(shè)計(jì)

在IGBT的開(kāi)發(fā)中，我們非常關(guān)注通態(tài)電壓（V_CE(sat)）和關(guān)斷損耗（E_off）之間的折衷，如圖3所示。在高于20kHz的高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，由于開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗就變得非常重要。為了使20~50kHz開(kāi)關(guān)頻率下的總功耗降到最低，我們?cè)谠O(shè)計(jì)IGBT芯片時(shí)將其性能設(shè)定在折衷曲線中V_CE(sat) 偏高、E_off偏低的位置上。

圖3 IGBT的折中特性

為降低開(kāi)關(guān)損耗，我們采用了兩項(xiàng)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(guò)程中簡(jiǎn)化的I_C和V_ce波形圖。通過(guò)優(yōu)化載流子密度，可以更容易地抽取殘余的過(guò)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(guò)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V_CE(sat)會(huì)增大。此外，通過(guò)優(yōu)化反向傳輸電容（C_res）和輸入電容（C_ies）的比率，可以縮短V_ce的上升時(shí)間，從而減小了V_ce上升過(guò)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(kāi)發(fā)的高速I(mǎi)GBT模塊的關(guān)斷波形。后者的拖尾電流幾乎減為零，并且V_ce上升時(shí)間變短。表1給出了標(biāo)準(zhǔn)模塊（富士第五代U4系列模塊）與新開(kāi)發(fā)的高速I(mǎi)GBT模塊的通態(tài)電壓和開(kāi)關(guān)損耗的比較。高速I(mǎi)GBT芯片的關(guān)斷損耗幾乎降至標(biāo)準(zhǔn)模塊的一半，但V_CE(sat)則從2.1V增至4.0V。

圖4 關(guān)斷波形的改進(jìn)

圖5 高速I(mǎi)GBT芯片的橫截面圖

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