1 引言

    如今節(jié)能的重要性日益顯著，將IGBT模塊用作開關器件的應用領域也不斷拓展。為提高電能變換器的效率，研究者提出了很多新型拓撲電路，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用的IGBT模塊設計。就是說，我們要專門為這些電路和應用而優(yōu)化IGBT的特性。

    我們開發(fā)了一種適合高頻開關應用（如焊機、感應加熱和醫(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，這些應用的開關頻率設定在20~50kHz ^{[2] [3]}。而在典型情況下，標準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)壓降和開關損耗之間有一個折衷關系。高速模塊在進行性能折衷時，是讓通態(tài)電壓偏大，以換取偏低的開關功耗，從而能在高頻應用中實現(xiàn)的總功耗。

    本文介紹了新開發(fā)的IGBT模塊的設計理念。由于開關頻率范圍是20~50kHz或更高，因此在這些應用中開關損耗（開通、關斷以及反向恢復損耗）是主要的功耗。

2 高開關頻率應用電路

    焊機和感應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 焊機電路圖

圖2 半橋直流-直流整流器中的IGBT電流和V_CE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是開關工作的周期，T_F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IGBT開通時，IGBT的V_CE已經(jīng)變?yōu)榱悖园霕蛑械拈_通損耗小至可以忽略（零電壓開關）。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、具有標準開關速度的器件就足夠了。

3 高速IGBT模塊的設計

    我們?yōu)榇搜邪l(fā)了一種適用于高頻領域的新型IGBT模塊。本節(jié)將介紹其IGBT/FWD芯片的設計理念及其低熱阻封裝。
    3.1高速IGBT芯片的設計
    在IGBT的開發(fā)中，我們非常關注通態(tài)電壓（VCE（sat））和關斷損耗（Eoff）之間的折衷，如圖3所示。在高于20kHz的高頻開關應用中，由于開關損耗在模塊的總功耗中份額已經(jīng)占優(yōu)，所以降低開關損耗就變得非常重要。為了使20~50kHz開關頻率下的總功耗降到，我們在設計IGBT芯片時將其性能設定在折衷曲線中VCE（sat） 偏高、Eoff偏低的位置上。

圖3 IGBT的折中特性

    為降低開關損耗，我們采用了兩項技術：
    （1）降低背面P+層的載流子密度（應理解為摻雜濃度，下同——譯者注）；
    （2）減小元胞的重復步距；
    圖4給出了IGBT關斷過程中簡化的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斷損耗。然而，如圖3所示，隨著關斷損耗的減小，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上升過程中的關斷損耗。采用上述兩種改進措施使總關斷損耗大為減小。圖6比較了標準IGBT模塊和新開發(fā)的高速IGBT模塊的關斷波形。后者的拖尾電流幾乎減為零，并且Vce上升時間變短。高速IGBT芯片的關斷損耗幾乎降至標準模塊的一半，但VCE（sat）則從2.1V增至4.0V。

圖4 關斷波形的改進

圖5 高速IGBT芯片的橫截面圖

圖6 關斷波形的比較（200A/1200V模塊）I_C=200A, V_dc=600V

    3.2高速FWD芯片設計
    如圖1所示，功因校正電路中的斬波器模塊需要一個高速FWD芯片，因為流經(jīng)二極管的是全電流，并在開關器件處形成一個硬開通過程。因此，反向恢復損耗（Err）在這種模塊的總損耗中占優(yōu)。與IGBT芯片類似，在FWD的正向電壓VF和Err之間也存在一個折衷關系。在高頻開關應用中，為使FWD芯片的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變到正向壓降VF較高、Err較低的情況，我們采用了一個優(yōu)化的壽命控制工藝。圖7給出了標準FWD和新開發(fā)的高速FWD的反向恢復波形的比較。壽命控制使反向恢復電流減小。為降低反向恢復損耗，相比標準速度的FWD，我們提高了起壽命控制作用的雜質(zhì)的擴散溫度。如表1所示，雖然VF增大了，但相比標準IGBT模塊，反向恢復損耗Err減小了60%。

        圖7 反向恢復波形的改進
    If=100A，Vdc = 600 V電壓上升時間快于普通FWD，反向恢復電流有所降低

    （1）功耗對比
    圖8給出了在40kHz的半橋直流-直流變換器應用中，新開發(fā)的高速IGBT模塊與第5代標準IGBT（富士的U4系列，2MBI200U4H-120-50）的總功耗對比。在這一功耗計算中，未計入開關器件的開通損耗和FWD的通態(tài)損耗，這是因為如第2節(jié)所述，這些損耗在半橋直流-直流變換器中小至可以忽略。高速IGBT的總功耗減小了25%，開關損耗減小了50%。當開關頻率大于15kHz時，高速IGBT的損耗低于標準模塊。

    圖8 IGBT功耗對比

    圖10給出了斬波器模塊的總功耗對比?？偣慕档土?6%。隨著通態(tài)損耗上升50%，反向恢復損耗減小了30%。

    圖10 斬波器模塊功耗對比

    （2）低熱阻封裝    
    隨著電能變換系統(tǒng)的小型化和高功率密度化，對 IGBT模塊熱學特性的改進變得越發(fā)重要。IGBT芯片較高的結溫，引發(fā)我們對模塊可靠性的關注。如圖9所示，與低頻應用相比，高開關頻率下的總功耗較大。因此，為了降低高速模塊的結溫，需要減小熱阻（結殼之間）。改進的高速模塊采用了一種由氮化硅（Si3N4）[4] 制成的低熱阻DCB（直接銅鍵合）基底。常規(guī)的DCB基底由氧化鋁（Al2O3）制成。Si3N4的熱導率是Al2O3的4倍，在芯片尺寸相同時，熱阻Rth（j-c）減小了20%。

4 高速模塊

    所有模塊的額定電壓都是1200V。二合一模塊的額定電流為100A到200A，斬波器模塊的額定電流為200A到400 A。圖12給出了封裝的外觀。該封裝是一個經(jīng)典的標準封裝（厚30mm）。其中，二合一模塊中所用的標準FWD芯片。這里并不需要一個高速FWD，因為在半橋DC-DC變換器中，流過FWD的電流很小，并且給開關器件形成一個軟開通條件。在斬波器模塊中，采用的是高速IGBT芯片和高速FWD芯片，因為在PFC電路中FWD是全電流導通。

    圖12 高速IGBT模塊外觀

5 結論 

    開發(fā)了適合高頻應用的高速IGBT模塊，本文介紹了其IGBT/FWD芯片的設計理念。研究結果顯示，在諸如焊機、等離子切割機、感應加熱等應用中，采用新型高速IGBT模塊能成功地將總功耗降低30~50%以上。所開發(fā)的高速模塊（含IGBT和FWD芯片）也能夠應用于醫(yī)療儀器的核磁共振成像和X光系統(tǒng)電源、光伏（PV）逆變器和不間斷電源。