絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)是具有高輸入阻抗和大雙極性電流能力的少數(shù)載流子功率器件。由于這些特性，IGBT非常適合電力電子中的許多應用，尤其是電機驅動器、不間斷電源(UPS)、可再生能源、電焊機、感應加熱爐具和其他需要高電流和高電壓能力的逆變器應用。短路耐受能力也是IGBT用于逆變器應用的一項重要功能。在逆變器驅動UPS或電機應用中，IGBT如果在故障電機、輸出短路或輸入總線電壓直通情形中導通，可能會損壞。在這些條件下，經(jīng)過IGBT的電流快速增加直至飽和。在故障檢測和保護功能激活前，IGBT將承受電壓力。從拓撲上看，三級中點箝位拓撲越來越普遍，甚至可應用到中低功率逆變器，因為更好的輸出電壓性能可減小濾波器尺寸并降低成本，同時在不過分犧牲開關損耗的情況下增加開關頻率。在這種情況下，650V擊穿電壓為滿足應用要求提供了極大的幫助。由于無法在三級NPC拓撲中完美平衡直流母線電壓，較高的阻斷電壓對此拓撲極其重要。開發(fā)650V IGBT時，將開關和傳導損耗保持在與600V IGBT相同水平至關重要。通常較高的擊穿電壓會造成Vce(sat)增加，并導致逆變器應用中的性能降低。同時，Vce(sat)和開關性能存在權衡取舍。這意味著補償因較高電壓設計導致的Vce(sat)增加可能會減慢開關性能，增加系統(tǒng)中的開關損耗。因此，在選擇曲線中找到最佳設計點對開發(fā)650V IGBT至關重要。新的場截止溝道IGBT正是為滿足這些要求而開發(fā)的。它具有650V擊穿電壓、極低的Vce(sat)和短路耐受能力。新IGBT的性能已通過系統(tǒng)級評估驗證。
場截止溝道技術
場截止溝道技術利用溝道柵結構和高度摻雜n+緩沖層獲得溝道穿通特性。借助這些功能，此新的IGBT技術實現(xiàn)了比上一代技術更高的單元密度。因此，在給定硅面積下它具有低得多的通態(tài)壓降。新場截止溝道IGBT的電流密度是之前場截止平面技術的兩倍以上。圖1顯示FGH75T65UPD、新的75A/650V場截止溝道IGBT和FGH75N60UF、75A/600V上一代場截止平面IGBT的權衡特性。FGH75T65UPD在25℃、75A時實現(xiàn)1.65V的Vce(sat)，而FGH75N60UF在相同條件下提供1.9V?？紤]到擊穿電壓增加到650V和活動面積減小，此特性有顯著改進，因為較高的阻斷電壓和較小的尺寸導致Vce(sat)增加。此低Vce(sat)是新場截止溝道IGBT的主要優(yōu)勢。場截止溝道技術還減少了每轉換周期的關斷能耗，如圖1所示。此增強的權衡特性使逆變器設計能夠滿足較高系統(tǒng)效率的市場需求。盡管硅面積減小，新場截止溝道IGBT在因熱失控出現(xiàn)故障之前提供5us短路耐受時間，這是上一代IGBT無法提供的。新場截止溝道IGBT也有較低的關斷狀態(tài)漏電流，最大結溫為175℃。
圖1 權衡特性
對比評估結果
新場截止溝道IGBT通過同樣利用類似場截止技術的競爭設備來評估。在Tj=25℃、Ic=80A、Vce=400V、Vge=15V和Rg=5Ohm的開關測試中，F(xiàn)GH75T65UPD顯示183uJ的關斷損耗。額定值為75A/600V的競爭產(chǎn)品IGBT的開關損耗為231uJ。評估相同封裝的二極管的反向恢復特性。測試條件為If=40A，Tj=125℃，Vr=400V，di/dt=500A/us。新場截止溝道IGBT的Qrr為1.17uC，比競爭產(chǎn)品IGBT的3.98uC小很多。這個小Qrr值可在橋拓撲的情況下減小橋臂中IGBT的開通損耗。開關性能通過商業(yè)5.5kW額定值光伏并網(wǎng)逆變器來驗證，該逆變器具有前端升壓級和雙極性控制全橋逆變級。兩級的開關頻率均為19kHz。升壓級保持原始設計不變，F(xiàn)GH75T65UPD和競爭產(chǎn)品IGBT應用于全橋逆變級。圖2顯示FGH75T65UPD和競爭產(chǎn)品IGBT的效率測試結果。FGH75T65UPD的EURO和CEC加權效率為94.37%和95.08%，競爭產(chǎn)品IGBT的分別為93.67%和94.37%。新場截止溝道IGBT具有卓越的開關性能，因此效率更高。
圖2 PV逆變器效率[!--empirenews.page--]
圖3顯示額定值為50A的新場截止溝道IGBT、FGH50T65UPD及其競爭產(chǎn)品的另一權衡取舍。FGH50T65UPD顯示10A和20A的權衡取舍，這是多數(shù)應用中的實用工作電流水平?；谶@些特性，估計系統(tǒng)中的功率損耗。目標系統(tǒng)是3kW額定混合頻率全橋逆變器。兩個低端IGBT在線路頻率下切換，兩個高端IGBT在17kHz切換。估計的功率損耗在圖4中總結。要驗證功率損耗估計值，使用兩個IGBT評估系統(tǒng)效率;FGH50T65UPD和競爭產(chǎn)品3 IGBT(與FGH50T65UPD具有類似的功率損耗)。圖5顯示3kW逆變器系統(tǒng)的測量效率。競爭產(chǎn)品3 IGBT在全負載時接近FGH50T65UPD。這與估計值相匹配。此外，效率差距隨著負載的減小而變大。這也與圖3相符，圖3中顯示當電流水平較低時FGH50T65UPD的性能優(yōu)于競爭產(chǎn)品。
圖3 PV逆變器效率
圖4 功率損耗估計
圖5 混合頻率全橋逆變器效率
結論
上文已介紹新的650V場截止溝道IGBT并評估了其性能。新的IGBT比上一代IGBT提供更好的DC和AC特性、更長的短路耐受時間以及更低的漏電流。經(jīng)過所有這些改進，新場截止溝道IGBT可實現(xiàn)高效和可靠的逆變器系統(tǒng)。
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