摘要:医疗仪器、焊机和等离子切割机用电源的市场在不断扩大，这些设备工作在20~50kHz或更高的高频范围。本文讲述了近来开发的、用于这一高频领域的IGBT模块的设计理念。由于在这些应用中工作频段为高频范围，因此器件的开关损耗（开通、关断以及反向恢复损耗）是主要的功耗。通过降低背P+层载流子密度（应理解为掺杂浓度——译者注），减小IGBT芯片中元胞的重复步距，并优化IGBT/FWD通态电压与开关损耗之间的折衷关系，可以得到更低的开关损耗。因而，这种新开发的IGBT模块的总功耗比标准IGBT模块（第5代系列）降低了25%。使用这种模块，能进一步提高效率、实现系统的小型化。1c488f5【中国自动化网社区】b4e4c5【http://sns.ca800.com】fb1

1引言ad【中国自动化网社区】d0dbb6【http://sns.ca800.com】ec3ec5f

如今节能的重要性日益显著，将IGBT模块用作开关器件的应用领域也不断拓展。为提高电能变换器的效率，研究者提出了很多新型拓扑电路，因而市场上对IGBT模块的需求也随之不断攀升。另一方面，由于IGBT的性能已经接近“硅限”，所以需要一种面向应用的IGBT模块设计。就是说，我们要专门为这些电路和应用而优化IGBT的特性。ad【中国自动化网社区】d0dbb6【http://sns.ca800.com】ec3ec5f

我们开发了一种适合高频开关应用（如焊机、感应加热和医疗仪器用电源）的新型高速模块。为实现系统的高效率和小型化，这些应用的开关频率设定在20~50kHz ^{[2] [3]}。而在典型情况下，标准IGBT模块的优化，所针对的载波频率却是10kHz或更低。通常，在IGBT/FWD芯片的通态压降和开关损耗之间有一个折衷关系。高速模块在进行性能折衷时，是让通态电压偏大，以换取偏低的开关功耗，从而能在高频应用中实现最低的总功耗。fabe46f【中国自动化网社区】1e5794【http://sns.ca800.com】0290c

本文介绍了新开发的IGBT模块的设计理念。由于开关频率范围是20~50kHz或更高，因此在这些应用中开关损耗（开通、关断以及反向恢复损耗）是主要的功耗。fabe46f【中国自动化网社区】1e5794【http://sns.ca800.com】0290c

2高开关频率应用电路fabe46f【中国自动化网社区】1e5794【http://sns.ca800.com】0290c

焊机和感应加热的典型电路图如图1所示。该电路由功率因数校正斩波器和半桥直流-直流变换器构成。在这个电路中，半桥电路采用了一个二合一模块，功因校正电路采用了一个斩波器模块。其中，半桥电路要工作在高频，以降低输出纹波电流。454391【中国自动化网社区】2f174c【http://sns.ca800.com】e085

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图1 焊机电路图454391【中国自动化网社区】2f174c【http://sns.ca800.com】e085

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图2 半桥直流-直流整流器中的IGBT电流和V_CE波形10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

图2给出了半桥变换器中IGBT模块的电流和电压波形。其中，T是开关工作的周期，T_F是FWD的续流时间。这个续流时间很短，因为它是由变压器漏感引起的。此外，当IGBT开通时，IGBT的V_CE已经变为零，所以半桥中的开通损耗小至可以忽略（零电压开关）。因此，在这个电路中，我们只对IGBT芯片提出低功耗要求。至于FWD，使用一个电流容量较小、具有标准开关速度的器件就足够了。10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

3高速IGBT模块的设计10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

我们为此研发了一种适用于高频领域的新型IGBT模块。本节将介绍其IGBT/FWD芯片的设计理念及其低热阻封装。10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

3.1 高速IGBT芯片的设计10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

在IGBT的开发中，我们非常关注通态电压（V_CE(sat)）和关断损耗（E_off）之间的折衷，如图3所示。在高于20kHz的高频开关应用中，由于开关损耗在模块的总功耗中份额已经占优，所以降低开关损耗就变得非常重要。为了使20~50kHz开关频率下的总功耗降到最低，我们在设计IGBT芯片时将其性能设定在折衷曲线中V_CE(sat) 偏高、E_off偏低的位置上。10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

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图3 IGBT的折中特性10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

为降低开关损耗，我们采用了两项技术：10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

（1）降低背面P+层的载流子密度（应理解为掺杂浓度，下同——译者注）；10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

（2）减小元胞的重复步距。10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

图4给出了IGBT关断过程中简化的I_C和V_ce波形图。通过优化载流子密度，可以更容易地抽取残余的过剩载流子。载流子密度的降低减小了拖尾电流，并且使IGBT的电流下降得更快，这样就减小了IGBT电流下降过程中的关断损耗。然而，如图3所示，随着关断损耗的减小，通态电压V_CE(sat)会增大。此外，通过优化反向传输电容（C_res）和输入电容（C_ies）的比率，可以缩短V_ce的上升时间，从而减小了V_ce上升过程中的关断损耗。采用上述两种改进措施使总关断损耗大为减小。图6比较了标准IGBT模块和新开发的高速IGBT模块的关断波形。后者的拖尾电流几乎减为零，并且V_ce上升时间变短。表1给出了标准模块（富士第五代U4系列模块）与新开发的高速IGBT模块的通态电压和开关损耗的比较。高速IGBT芯片的关断损耗几乎降至标准模块的一半，但V_CE(sat)则从2.1V增至4.0V。10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

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图4 关断波形的改进10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

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图5 高速IGBT芯片的横截面图10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

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图6 关断波形的比较（200A/1200V模块）I_C=200A, V_dc=600V10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

表1 通态电压和开关损耗的比较10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

3.2高速FWD芯片设计10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

如图1所示，功因校正电路中的斩波器模块需要一个高速FWD芯片，因为流经二极管的是全电流，并在开关器件处形成一个硬开通过程。因此，反向恢复损耗（E_rr）在这种模块的总损耗中占优。与IGBT芯片类似，在FWD的正向电压V_F和E_rr之间也存在一个折衷关系。在高频开关应用中，为使FWD芯片的工作状态转变到正向压降V_F较高、E_rr较低的情况，我们采用了一个优化的寿命控制工艺。图7给出了标准FWD和新开发的高速FWD的反向恢复波形的比较。寿命控制使反向恢复电流减小。为降低反向恢复损耗，相比标准速度的FWD，我们提高了起寿命控制作用的杂质的扩散温度。如表1所示，虽然V_F增大了，但相比标准IGBT模块，反向恢复损耗E_rr减小了60%。10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

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图7 反向恢复波形的改进10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

I_f = 100 A，V_dc = 600 V电压上升时间快于普通FWD，反向恢复电流有所降低10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

（1）功耗对比10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

图8给出了在40kHz的半桥直流-直流变换器应用中，新开发的高速IGBT模块与第5代标准IGBT（富士的U4系列，2MBI200U4H-120-50）的总功耗对比。在这一功耗计算中，未计入开关器件的开通损耗和FWD的通态损耗，这是因为如第2节所述，这些损耗在半桥直流-直流变换器中小至可以忽略。高速IGBT的总功耗减小了25%，开关损耗减小了50%。图9给出了总功耗（是开关频率的函数）的对比。当开关频率大于15kHz时，高速IGBT的损耗低于标准模块。10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

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图8  IGBT功耗对比10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

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图9  半桥直流-直流变换器中IGBT总功耗与开关频率的对应关系（Io=100A，V_dc=600V）10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

图10给出了斩波器模块的总功耗对比。总功耗降低了36%。随着通态损耗上升50%，反向恢复损耗减小了30%。10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

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图10  斩波器模块功耗对比10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

（2）低热阻封装10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

随着电能变换系统的小型化和高功率密度化，对 IGBT模块热学特性的改进变得越发重要。IGBT芯片较高的结温，引发我们对模块可靠性的关注。如图9所示，与低频应用相比，高开关频率下的总功耗较大。因此，为了降低高速模块的结温，需要减小热阻（结壳之间）。改进的高速模块采用了一种由氮化硅（Si₃N₄）^[4] 制成的低热阻DCB（直接铜键合）基底。常规的DCB基底由氧化铝（Al₂O₃）制成。表2给出了Si₃N₄–DCB与Al₂O₃–DCB的热特性对比。Si₃N₄的热导率是Al₂O₃的4倍，在芯片尺寸相同时，热阻R_th(j-c)减小了20%。10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

表2  DCB特性的比较10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

4高速模块一览10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

表3给出了这种新型高速IGBT模块电压与电流的额定值，电路结构如图11所示。所有模块的额定电压都是1200V。二合一模块的额定电流为100A到200A，斩波器模块的额定电流为200A到400 A。图12给出了封装的外观。该封装是一个经典的标准封装（厚30mm）。10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

表3 所开发的高速IGBT模块一览10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

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图11 二合一模块和斩波器模块电路结构图，斩波器模块中包含一个负温度系数电阻10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

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图12 高速IGBT模块外观10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

表4给出了高速IGBT模块中所采用的芯片的列表。其中，二合一模块中所用的标准FWD芯片。这里并不需要一个高速FWD，因为在半桥DC-DC变换器中，流过FWD的电流很小，并且给开关器件形成一个软开通条件。在斩波器模块中，采用的是高速IGBT芯片和高速FWD芯片，因为在PFC电路中FWD是全电流导通。10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

表4 所用芯片10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

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5结论10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

开发了适合高频应用的高速IGBT模块，本文介绍了其IGBT/FWD芯片的设计理念。研究结果显示，在诸如焊机、等离子切割机、感应加热等应用中，采用新型高速IGBT模块能成功地将总功耗降低30~50%以上。所开发的高速模块（含IGBT和FWD芯片）也能够应用于医疗仪器的核磁共振成像和X光系统电源、光伏（PV）逆变器和不间断电源。10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

参考文献10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

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[2]Theron,P.C.et al.Welding power supplies using the partial series resonant converter. IECON93, 1993,vol.2:1319-1324.10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

[3]Takasaki,Y.et al.Development of a potable spot-welding machine.IEEE International Magnetics Conference, 2003,10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d

[4]Nishimura,T.et al.High-power IGBT modules.Fuji Electric Review,2009,vol.55,No.2:51-55.10aee【中国自动化网社区】21eee5【http://sns.ca800.com】7cd68d