摘要:醫(yī)療儀器、焊機(jī)和等離子切割機(jī)用電源的市場在不斷擴(kuò)大,，這些設(shè)備工作在20~50kHz或更高的高頻范圍,。本文講述了近來開發(fā)的、用于這一高頻領(lǐng)域的IGBT模塊的設(shè)計理念,。由于在這些應(yīng)用中工作頻段為高頻范圍,，因此器件的開關(guān)損耗（開通、關(guān)斷以及反向恢復(fù)損耗）是主要的功耗,。通過降低背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)電壓與開關(guān)損耗之間的折衷關(guān)系,，可以得到更低的開關(guān)損耗,。因而，這種新開發(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?，因而市場上對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,。就是說，我們要專門為這些電路和應(yīng)用而優(yōu)化IGBT的特性,。
我們開發(fā)了一種適合高頻開關(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。為實現(xiàn)系統(tǒng)的高效率和小型化,，這些應(yīng)用的開關(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)壓降和開關(guān)損耗之間有一個折衷關(guān)系,。高速模塊在進(jìn)行性能折衷時,，是讓通態(tài)電壓偏大，以換取偏低的開關(guān)功耗,，從而能在高頻應(yīng)用中實現(xiàn)最低的總功耗,。
本文介紹了新開發(fā)的IGBT模塊的設(shè)計理念。由于開關(guān)頻率范圍是20~50kHz或更高,，因此在這些應(yīng)用中開關(guān)損耗（開通,、關(guān)斷以及反向恢復(fù)損耗）是主要的功耗。
2高開關(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,。在這個電路中，半橋電路采用了一個二合一模塊,，功因校正電路采用了一個斬波器模塊,。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VCE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是開關(guān)工作的周期,，TF是FWD的續(xù)流時間。這個續(xù)流時間很短,，因為它是由變壓器漏感引起的,。此外，當(dāng)IGBT開通時,，IGBT的VCE已經(jīng)變?yōu)榱?，所以半橋中的開通損耗小至可以忽略（零電壓開關(guān)）,。因此,，在這個電路中,，我們只對IGBT芯片提出低功耗要求。至于FWD,，使用一個電流容量較小,、具有標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)速度的器件就足夠了。
3高速IGBT模塊的設(shè)計
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)計理念及其低熱阻封裝,。
3.1 高速IGBT芯片的設(shè)計
在IGBT的開發(fā)中，我們非常關(guān)注通態(tài)電壓（VCE(sat)）和關(guān)斷損耗（Eoff）之間的折衷,，如圖3所示,。在高于20kHz的高頻開關(guān)應(yīng)用中，由于開關(guān)損耗在模塊的總功耗中份額已經(jīng)占優(yōu),，所以降低開關(guān)損耗就變得非常重要,。為了使20~50kHz開關(guān)頻率下的總功耗降到最低，我們在設(shè)計IGBT芯片時將其性能設(shè)定在折衷曲線中VCE(sat) 偏高,、Eoff偏低的位置上,。
圖3 IGBT的折中特性
為降低開關(guān)損耗，我們采用了兩項技術(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)斷過程中簡化的IC和Vce波形圖,。通過優(yōu)化載流子密度,，可以更容易地抽取殘余的過剩載流子。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VCE(sat)會增大,。此外,，通過優(yōu)化反向傳輸電容（Cres）和輸入電容（Cies）的比率，可以縮短Vce的上升時間,，從而減小了Vce上升過程中的關(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模塊和新開發(fā)的高速IGBT模塊的關(guān)斷波形,。后者的拖尾電流幾乎減為零,，并且Vce上升時間變短,。表1給出了標(biāo)準(zhǔn)模塊（富士第五代U4系列模塊）與新開發(fā)的高速IGBT模塊的通態(tài)電壓和開關(guān)損耗的比較。高速IGBT芯片的關(guān)斷損耗幾乎降至標(biāo)準(zhǔn)模塊的一半,，但VCE(sat)則從2.1V增至4.0V,。
圖4 關(guān)斷波形的改進(jìn)
圖5 高速IGBT芯片的橫截面圖
圖6 關(guān)斷波形的比較（200A/1200V模塊）IC=200A, Vdc=600V