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1200V IGBT4:具備優(yōu)化特性的英飛凌新一代功率半導(dǎo)體

發(fā)布時間:2009-01-22 來源:英飛凌

中心議題:

  • IGBT4-T4具備快速開關(guān)性能,適用于標稱電流為10A300A的低功率模塊
  • IGBT4-E4具備良好開關(guān)和導(dǎo)通特性,適用于標稱電流為150A1000A的中功率模塊
  • 具備軟開關(guān)性能的IGBT4-P4芯片,適用于標稱電流大于900A的高功率模塊

解決方案:

  • 實現(xiàn)低的靜態(tài)和動態(tài)損耗
  • 使芯片的允許工作結(jié)溫提高25°C ,達到Tvjop=150°C
  • 優(yōu)化的組裝技術(shù)顯著改善了功率循環(huán)(PC)周期
  • 擁有比良好的柔軟度
  • 可通過計算工具IPOSIM計算損耗特性,估評新器件在變頻器模式下的運行狀況

如今全球電能需求逐年增加。而能源成本的不斷提高,二氧化碳溫室氣體的減排需求以及未來礦物能源的有限性,這些都要求我們要負責(zé)任地利用這些資源,達到節(jié)能的效果。諸如驅(qū)動設(shè)計或電源系統(tǒng)等許多工業(yè)應(yīng)用都顯示了巨大的節(jié)能潛力。就驅(qū)動設(shè)計而言,采用先進、高效的變頻器可降低機器的能耗。

對于采用先進、高效的變頻器的工業(yè)節(jié)能應(yīng)用市場而言,經(jīng)過優(yōu)化的各種功率半導(dǎo)體是不可或缺的。英飛凌推出的全新1200V IGBT4 系列,結(jié)合改進型發(fā)射極控制二極管,針對高中低功率應(yīng)用提供了三款產(chǎn)品,可面向不同應(yīng)用滿足現(xiàn)代化變頻器的要求。

這三款經(jīng)過優(yōu)化的芯片分別是:具備快速開關(guān)性能的IGBT4-T4芯片,適用于標稱電流為10A至300A的低功率模塊;具備良好開關(guān)和導(dǎo)通特性的IGBT4-E4芯片,適用于標稱電流為150A至1000A的中功率模塊;具備軟開關(guān)性能的IGBT4-P4芯片,適用于標稱電流大于900A的高功率模塊。

IGBT4-P4芯片在其他報告[1、2、3]中進行詳細介紹,因此,本文將重點介紹中低功率芯片。

成功開發(fā)全新芯片的兩個準則是實現(xiàn)低的靜態(tài)和動態(tài)損耗。IGBT4技術(shù)還使芯片的允許工作結(jié)溫提高25°C ,達到Tvjop=150°C。

Table1.jpg
                        表1  英飛凌IGBT3 與 IGBT4 的對比

表1對比了全新IGBT4 及其前代IGBT3 的電氣性能。

全新1200V IGBT4 功率半導(dǎo)體的最高允許工作結(jié)溫達到150°C,而其前代的最高允許工作結(jié)溫為125°C。

英飛凌最初是在其第三代600V功率半導(dǎo)體[11, 12]上實現(xiàn)了150°C的最高允許工作結(jié)溫。

在相同的冷卻條件下和整個溫度范圍內(nèi),工作結(jié)溫越高,輸出功率越大。

此外,如圖1所示,優(yōu)化的組裝技術(shù)顯著改善了功率循環(huán)(PC)周期。這至少能確保在工作結(jié)溫增大的情況下,輸出電流增大但功率器件壽命不變——或者在相似輸出功率條件下,提高器件的使用壽命[2]。

   圖 1: 在接通時間約為1秒和電流約為標稱電流條件下,1200V標準模塊使用壽命圖和EconoPACK模塊的典型使用壽命
 

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IGBT 性能
然而,只降低損耗還遠遠不夠。器件本身的開關(guān)特性也是一個重要問題。

由于IGBT3系列的柔軟度足夠適用于幾乎所有中低功率應(yīng)用,因此IGBT4的開發(fā)目標是具有與前代IGBT3系列相似的柔軟度。

圖2 顯示外部柵極電阻導(dǎo)致的開關(guān)損耗。對于許多柵極電阻而言,關(guān)斷損耗不取決于Rg,這可由IGBT固有的開關(guān)特性進行解釋[7, 8]。

圖2
     圖2:柵極電阻導(dǎo)致的關(guān)斷損耗(Tvj=125°C,Vce=600V,Ic=300A, L?=30nH)

在dv=L*di/dt條件下,當(dāng)開通和關(guān)斷時,雜散電感與電流梯度共同作用可影響電壓特性。如果關(guān)斷時雜散電感L較大,電壓就會過壓,導(dǎo)致?lián)p耗增大(如表2所示)。

Table2.jpg
             表2:Tj=125°C條件下,雜散電感導(dǎo)致的300A/600V中功率IGBT4-E4的損耗

IGBT柔軟度與關(guān)斷損耗對柵極電阻非常不敏感。在標稱電流條件下的開關(guān)性能對比參見圖3和圖4。

圖3
         圖3:在Tj=25°和L等于30nH條件下,低功率300A IGBT的關(guān)斷操作

IGBT4-T4擁有比低功率IGBT3-T3芯片略高的柔軟度,而IGBT-E4擁有比中功率IGBT3-E3芯片略高的柔軟度。按照設(shè)計目的,E系列柔軟度明顯高于T系列[5],因此可以在更高直流側(cè)電壓和/或更高相聯(lián)電感的條件下關(guān)斷E4。

圖4
        圖4:在Tj=25°和L等于65nH條件下,中功率300A IGBT 的關(guān)斷操作

更重要的是,當(dāng)L值增大時,關(guān)斷會更不平滑。因此,300A IGBT4-E4能在直流母線雜散電感為65nH以及直流側(cè)電壓為900V的測試條件下依然實現(xiàn)軟關(guān)斷就很令人放心了(圖4)。圖5顯示在電流下降沿增大期間,因雜散電感的增加而引起的壓降。

圖5
圖5: 在Tj=125°C條件下,受雜散電感影響的 300A 中功率IGBT4 的開關(guān)特性

為某種應(yīng)用選擇最佳的IGBT時,還必須考慮雜散電感對二極管特性的影響。在所舉例子中,發(fā)射極控制高效二極管的開關(guān)損耗和柔軟度受增加的雜散電感的影響可以忽略不計。發(fā)射極控制高效二極管采用成熟的發(fā)射極控制技術(shù)[9,10]。

然而,如果較高的直流側(cè)電壓與增大的雜散電感同時出現(xiàn),則需要通過增大外部門極開通電阻,降低開關(guān)速度,實現(xiàn)二極管的軟開關(guān)。增大的外部門極電阻會使開通損耗增大。增加的雜散電感降低了IGBT與二極管的柔軟度,但也為所有IGBT模塊帶來優(yōu)化機會。

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通過IPOSIM計算

為了估評新器件在變頻器模式下的運行狀況,可通過計算工具IPOSIM計算損耗特性。IPOSIM計算[4]只需輸入靜態(tài)損耗和動態(tài)損耗以及熱數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度即可完成計算。一種方法是計算由結(jié)溫產(chǎn)生的最大RMS電流和開關(guān)頻率。對62mm半橋模塊(圖6)的IGBT計算結(jié)果表明,這種全新芯片在125°C溫度條件下,與前代芯片相比,輸出電流能力增大。此外,如果可以使用應(yīng)用許允的150°C工作結(jié)溫,就能夠使同一組件的輸出電流能力增加最大17%。
圖6
圖6: 利用IPOSIM計算由開關(guān)頻率導(dǎo)致的300A半橋模塊的最大RMS輸出電流(600V直流電路),Rth(heatsink)=0,1K/W,Tambient=40°C;cos(phi)= 0,8

進一步通過IPOSIM計算,對比新器件與前代器件。首先,在結(jié)溫為125°C條件下,計算8kHz頻率下E3的最大Irms。接下來計算所有其他型號芯片在相同變頻器輸出電流條件下的損耗。圖7概括了計算結(jié)果。E4模塊的損耗大約比E3模塊的損耗低3%,但與T3的損耗相當(dāng)。T4的損耗與E4相比,降低約3%。

圖7
圖7:與發(fā)射極控制高效二極管結(jié)合使用的300A IGBT的損耗與溫度計算值: IRMS=214,2A, Rth(heatsink)=0,1K/W; f=8kHz; Tambient =40°C; cos(phi)= 0,8

結(jié)論
全新功率半導(dǎo)體經(jīng)過優(yōu)化,實現(xiàn)了性能提升,能在工作結(jié)溫增大(Tvjop=150°C)的情況下,提高變頻器的輸出功率。

英飛凌提供的全新IGBT在Tvjop=125°C溫度條件下,與前代產(chǎn)品相比,可使總損耗最高降低6%。這意味著隨著允許結(jié)溫的提高可使變頻器真正從中受益。

此外,組裝技術(shù)的優(yōu)化確保在工作結(jié)溫增大的條件下,可獲得相同的使用壽命和提高近17%的輸出電流——或在類似輸出功率下,延長使用壽命[1]。

這種全新半導(dǎo)體將采用目前成熟的封裝和未來新的封裝。所有這些改進都將使新IGBT4模塊成為滿足不同應(yīng)用要求的理想之選。

英飛凌元件的不斷改進與各項新技術(shù)的發(fā)展為客戶和合作伙伴優(yōu)化他們的應(yīng)用設(shè)計帶來機會,并為其實現(xiàn)節(jié)能目標作出貢獻。

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