新型1200V IGBT模块的高频开关应用

1 引言

    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。

    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的总功耗。

    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。

2 高开关频率应用电路

    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。

 

图1 焊机电路图

 

图2 半桥直流-直流整流器中的IGBT电流和V_CE波形

    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。

3 高速IGBT模块的设计

    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。
    3.1高速IGBT芯片的设计
    在IGBT的开发中，我们非常关注通态电压（VCE（sat））和关断损耗（Eoff）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，我们在设计IGBT芯片时将其性能设定在折衷曲线中VCE（sat） 偏高、Eoff偏低的位置上。

 

图3 IGBT的折中特性

    为降低开关损耗，我们采用了两项技术：
    （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）；
    （2）减小元胞的重复步距；
    图4给出了IGBT关断过程中简化的IC和Vce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VCE（sat）会增大。此外，通过优化反向传输电容（Cres）和输入电容（Cies）的比率，可以缩短Vce的上升时间，从而减小了Vce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Vce上升时间变短。高速IGBT芯片的关断损耗几乎降至标准模块的一半，但VCE（sat）则从2.1V增至4.0V。

 

图4 关断波形的改进

 

图5 高速IGBT芯片的横截面图

 

图6 关断波形的比较（200A/1200V模块）I_C=200A, V_dc=600V

    3.2高速FWD芯片设计
    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（Err）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VF和Err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VF较高、Err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VF增大了，但相比标准IGBT模块，反向恢复损耗Err减小了60%。

        图7 反向恢复波形的改进
    If=100A，Vdc = 600 V电压上升时间快于普通FWD，反向恢复电流有所降低

    （1）功耗对比
    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%。当开关频率大于15kHz时，高速IGBT的损耗低于标准模块。

    图8 IGBT功耗对比

    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%。

    图10 斩波器模块功耗对比

    （2）低热阻封装    
    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。Si3N4的热导率是Al2O3的4倍，在芯片尺寸相同时，热阻Rth（j-c）减小了20%。

4 高速模块

    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）。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。

    图12 高速IGBT模块外观

 

5 结论 

    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。