帶反并聯(lián)二極管IGBT中的二極管設(shè)計(jì)

引言
    反并聯(lián)二極管的正確設(shè)計(jì)需要考慮各種因素。其中一些與自身技術(shù)相關(guān)，其它的與應(yīng)用相關(guān)。但是，正向壓降Vf 、反向恢復(fù)電荷Qrr 以及Rth與Zth散熱能力最終將構(gòu)成一種三角關(guān)系。

    由于在當(dāng)前的二極管技術(shù)條件下，二極管芯片本身的尺寸已經(jīng)被削減至很小，所以二極管設(shè)計(jì)師再次將目光投向電氣性能(忽略成本因素)。本文將聚焦驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的二極管，進(jìn)行利弊分析與思考。對(duì)于所有應(yīng)用來(lái)說(shuō)，所考慮的基本點(diǎn)是一樣的：應(yīng)該使用靜態(tài)損耗較低的二極管，還是考慮整個(gè)系統(tǒng)(包括IGBT)性能而使用靜態(tài)損耗稍高但開(kāi)關(guān)損耗較低的二極管。

二極管優(yōu)化
    二極管的反向恢復(fù)電荷Qrr與正向壓降Vf的關(guān)系曲線可以表示出二極管的特性。這意味著，原則上該曲線上的每一個(gè)點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。因此，可以設(shè)計(jì)出低Qrr、高Vf的二極管，或者低Vf、高Qrr的二極管。該曲線可以通過(guò)改變電流密度或壽命抑制實(shí)現(xiàn)。

圖 1  二極管的Qrr-Vf關(guān)系曲線

    一般而言，芯片尺寸越大，由于電流密度降低，正向壓降Vf也會(huì)降低，這有助于改善芯片的散熱能力，但同時(shí)開(kāi)關(guān)損耗增加，成本也會(huì)有所提高。

    對(duì)于給定的電流密度和芯片尺寸而言，通過(guò)局部(例如氦離子照射)或整體(電子照射或帶有再結(jié)合中心的摻雜，如金或鉑)方法削減載流子壽命有著相似的作用?？s短載流子壽命可削減器件中的積累電荷Qrr，但降低了導(dǎo)通性能,提高了正向壓降Vf；延長(zhǎng)載流子壽命能降低正向壓降Vf，但開(kāi)關(guān)損耗增高。大多數(shù)實(shí)用二極管采用一種或多種壽命控制方法，但整流二極管除外。整流二極管頻率非常低并且對(duì)導(dǎo)通損耗要求很高，因此并不總是需要削減載流子壽命。

圖2  取決于芯片尺寸的熱阻
 
    對(duì)于本文討論的二極管技術(shù)而言，改變電流密度或芯片尺寸都能導(dǎo)致非常相似的曲線。本文選擇了改變電流密度并進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算。這種方法意味著更小尺寸的二極管芯片，從而實(shí)現(xiàn)單片晶圓更高的芯片產(chǎn)量，從而削減芯片的單位價(jià)格。
另一方面，更小的芯片有著更高的結(jié)對(duì)殼熱阻RthJC，因此首先想到的是需要更大的散熱器。但這一結(jié)論下得為時(shí)過(guò)早。

    芯片尺寸與熱阻RthJC之間的關(guān)系如圖2所示?？梢钥闯鲭p曲線值近似由圓片貼裝、芯片本身以及導(dǎo)線框的焊接厚度所決定。

    但是，為了得出最終評(píng)價(jià)，有必要更深入地了解總損耗以及IGBT與二極管的損耗分配。

圖3  從二極管到IGBT的整流過(guò)程

    對(duì)整流過(guò)程的分析顯示，二極管的反向恢復(fù)電荷產(chǎn)生的電流不僅加在二極管本身，而且還流過(guò)被整流的IGBT，如圖3所示。集電極波形中的陰影部分代表二極管的反向恢復(fù)特性以及寄生輸出電容放電產(chǎn)生的額外電荷。但輸出電容部分通?？梢院雎?，因?yàn)镮GBT電容非常小,因此，可假設(shè)該區(qū)域是完全由反向恢復(fù)造成的?？梢钥闯觯紫?，當(dāng)IGBT電壓還處于高電平時(shí)，反向恢復(fù)電流已經(jīng)開(kāi)始流動(dòng)。其次，二極管電流拖尾100ns左右。很明顯，二極管的反向恢復(fù)性能對(duì)于IGBT中的開(kāi)關(guān)損耗有著非常重要的作用。

    觀察功率損耗的分布情況可知，主要功率損耗通常來(lái)自IGBT，因此IGBT會(huì)造成二極管芯片的發(fā)熱。如果二極管本身有更高的損耗，在二極管自身的發(fā)熱比IGBT的損耗發(fā)熱更高時(shí)，這種情況才會(huì)發(fā)生改變。從產(chǎn)品角度來(lái)說(shuō)，提高二極管的溫度是有利的，這樣可以降低總體損耗以及IGBT結(jié)溫。在額定條件下，當(dāng)IGBT結(jié)溫等于二極管結(jié)溫時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最佳損耗分布。

    這意味著，盡管優(yōu)化型二極管可能因?yàn)楦〉男酒叽缍@得更高的RthJC，但這不影響IGBT與二極管結(jié)合的性能，因?yàn)榭傮w功耗降低了。與EmCon2技術(shù)相比，采用EmCon3技術(shù)的全新反并聯(lián)二極管具有較高的正向壓降、改進(jìn)的反向恢復(fù)特性以及更低的開(kāi)關(guān)損耗。

圖4  二極管優(yōu)化的損耗平衡(RthHS = 4.2 K/W,TA = 50℃, cosΦ= 0.7)

    該結(jié)論與大多數(shù)人的理解——用于驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的二極管必須針對(duì)低導(dǎo)通損耗進(jìn)行優(yōu)化－相矛盾。特別是在家電驅(qū)動(dòng)中，如變頻洗衣機(jī)，低開(kāi)關(guān)損耗同樣至關(guān)重要。因?yàn)樵谀切?yīng)用中，開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到15 kHz或更高。在這種情況下，開(kāi)關(guān)損耗將構(gòu)成驅(qū)動(dòng)中整體損耗的很大一部分，絕不能被忽視。這種優(yōu)化為多種應(yīng)用打開(kāi)了大門——不僅在驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)，還有所謂的“高速”領(lǐng)域。

圖5  TrenchStop-IGBT采用Vf優(yōu)化型二極管(左條形圖)以及采用最終設(shè)計(jì)二極管(右條形圖)時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗

EMCON3與EMCON2技術(shù)的基準(zhǔn)
    兩種帶二極管的IGBT的單位安培功率損耗平衡情況如圖4所示。左條形圖顯示的是最新推出的EmCon3技術(shù)與TrenchStop-IGBT(IGBT3技術(shù))結(jié)合的結(jié)果。如上所述， EmCon3技術(shù)是針對(duì)更低開(kāi)關(guān)損耗以及稍高正向壓降進(jìn)行優(yōu)化的。右條形圖顯示的是EmCon2技術(shù)與TrenchStop-IGBT結(jié)合的結(jié)果。本基準(zhǔn)中使用的EmCon2二極管是英飛凌Fast-IGBT系列中的反并聯(lián)二極管。該二極管針對(duì)低正向壓降進(jìn)行了優(yōu)化。在圖4中使用的是IGP10N60T, 熱阻RthHS =4.2 K/W的散熱器, 環(huán)境溫度TA = 50℃, 使結(jié)溫升高至125℃左右。開(kāi)關(guān)頻率fP為16 kHz，證明了IGP10N60T和EmCon3技術(shù)結(jié)合的性能。從圖5中可以看出，正如預(yù)期的那樣，IGBT導(dǎo)通損耗根本不受二極管影響。Vf優(yōu)化型二極管的Qrr提高對(duì)IGBT的動(dòng)態(tài)損耗PvsI和二極管的動(dòng)態(tài)損耗PvsD有很大影響。兩種影響合在一起：二極管本身動(dòng)態(tài)損耗的提高及其對(duì)IGBT的影響，超越了Vf優(yōu)化型二極管導(dǎo)通期間的優(yōu)勢(shì)。該特性在開(kāi)關(guān)頻率為5 kHz 左右時(shí)已經(jīng)非常明顯，開(kāi)關(guān)頻率越高影響越大。

圖6 用于溫度計(jì)算的熱等效電路

    當(dāng)然，針對(duì)具體硬件電路設(shè)計(jì)確定損耗平衡的各個(gè)部分并非易事。通常，工程師在外殼或?qū)Ь€框上測(cè)量溫度。兩個(gè)二極管的熱阻RthJC被認(rèn)為是一樣的。結(jié)合系統(tǒng)的熱等效電路如圖6所示。恒定環(huán)境溫度形成共同的外殼溫度TC，該溫度由散熱器熱阻以及IGBT和二極管的損耗總量決定。因此，二極管和IGBT不同的結(jié)對(duì)殼熱阻RthJCD 和RthJCI可導(dǎo)致不同的結(jié)溫TJD和 TJI。

    兩種結(jié)合系統(tǒng)形成的結(jié)溫如圖7所示。結(jié)溫接近125°C,與IGP10N60T和Vf優(yōu)化型EmCon2二極管結(jié)合相比，IGP10N60T與Qrr優(yōu)化型EmCon3二極管結(jié)合實(shí)現(xiàn)了更低的結(jié)溫。在左側(cè)條形圖中，二極管和IGBT的溫度要低4K，IGBT的功率損耗低0.7 W ，二極管低0.2 W。由于IGBT的RthJC更低，IGBT更大的損耗減小對(duì)結(jié)溫的影響比二極管相對(duì)更少的損耗減小產(chǎn)生的影響要小。因此溫度差是一樣的。

圖7  兩種結(jié)合系統(tǒng)形成的結(jié)溫

    當(dāng)然，損耗降低也被較小的RthJC犧牲了一部分。但是計(jì)算顯示，在環(huán)境溫度TA為50℃ 時(shí)，與10A-IGBT IGP10N60T結(jié)合時(shí)，最終二極管的結(jié)溫大約低了4 ℃。還可以看出，IGBT的結(jié)溫也低了4℃。因此，該系統(tǒng)總體上從所選的二極管優(yōu)化方法中獲益。如果達(dá)到與最終二極管一樣的結(jié)溫，可以從逆變器中獲得更高電流，從而獲得更高的功率輸出，如圖8所示。另一方面，在給定輸出電流下，甚至可以削減散熱器尺寸，從而降低驅(qū)動(dòng)裝置的成本。不管設(shè)計(jì)師用哪種方法，系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)更高的效率。

圖8  逆變器中一個(gè)半橋的輸出有效值電流

結(jié)語(yǔ)
    二極管優(yōu)化只考慮正向壓降是不夠的，這必須考慮IGBT技術(shù)以及應(yīng)用條件。在本文中，與TrenchStop-IGBT并聯(lián)的二極管是根據(jù)IGBT技術(shù)與應(yīng)用條件進(jìn)行設(shè)計(jì)的。這些二極管芯片尺寸更小，但是能比更大的Vf優(yōu)化型芯片實(shí)現(xiàn)更低的結(jié)溫。這使得工程師能夠更多地利用IGBT與二極管。它可以縮小散熱器的尺寸或增加給定系統(tǒng)的輸出功率，削減系統(tǒng)成本。