高开关速度优化的新一代IGBT系列(1)
日期：2010-12-7 10:03:56 点击：
来源：网络
作者： 未知
来源：网络
作者： 未知
点击【 大 中 小 】放大字体.
摘要：最近几年，分立的IGBT已在不同的领域广泛应用，诸如传动用逆变器、电感性加热、焊接、太阳能发电用逆变器和UPS。这些应用装置在某些方面仍有本质上的不同要求，需要应用优化的专用器件。
本文阐述第三代1200V高速器件（“HS3”产品系列），它是专为焊接，太阳能发电逆变器和UPS等高频应用设计的。这些应用的典型工作频率范围是20K--40KHz，要求开关损耗低于典型的传动应用的损耗，后者在10KHZ甚至在更低范围中应用。但是，饱和电压VCE，sat在整个损耗中仍起重要的作用，为此要找到开关损耗和传导损耗之间良好的平衡。文中提供了新产品的特性并和市场上的其他产品系列做了比较。这些新产品的效益在特定装置的应用中获得了验证。
1 引言
电能的高效利用是电力电子获得迅速发展的主要推动力之一。IGBT技术为这些应用提供优化的专用器件来支持这种趋势[1]-[3]。虽然IGBT当前的主要市场仍属电力传动部分，但最近几年，其他应用领域，诸如UPS（不中断电源），光伏逆变器也取得了显著的市场份额。对各种应用——从大功率传动用的逆变器到独特的烹调电器用的电线插孔（cookinghubs）——都是将它用作功率开关。其中大多数是以DC/AC变换方式来应用，但仍有不同特性的要求。例如，电力传动逆变器要求器件具有较强的坚韧性，包括应付负载短路电流等失效模式的能力。而用于UPS或太阳能逆变器，则侧重于效率和输出信号的质量。这样，后者在较高频率下驱动时可减轻滤波器工作。当然，电力传动也一样要求高效率，因为要小型化就要求严格限制系统的总损耗。本文介绍的新一代1200V高速（HighSpeed）IGBT3（简称：HS3-系列）是针对UPS，太阳能逆变器和焊接等装置应用专门开发的。它侧重于提高效率和用于高于20KHz的高频开关，以及具有更好的抗电磁干扰性能与软开关特性。
下文首先阐述IGBT和二极管的特点，再阐述所选应用条件的优点。
2 HS3产品特性
2.1 技术概述：IGBT
HS3-IGBT产品系列是在已定型的TrenchStop2产品系列相同技术基础上的延伸。针对前几个技术发展阶段和电压等级（见图1），英飞凌技术公司用现代薄片技术将沟槽（Trench）MOS单元结合场截止（Stop）理念进行优化。为了优化性能，这种理念允许对IGBT收集极特性进行技术调制。这种方法的好处本身表明，尤其在耐短路电流和脉冲电流的坚韧性方面是优越的，软开关特性也一样优越。不过，TrenchStop2系列的目标是提高低、中频直到20KHz的逆变器的效率，而HS3系列则为高频运作优化发射极。
众所周知，对给定的IGBT技术基础（用单元布局和垂直设计为表征），在器件的漂移区采用等离子体技术调制可得到不同的器件特性。调整IGBT器件中固有的PNP晶体管的增益，可找到传导损耗和开关损耗之间的关系或不同的折衷点。通常，以关断损耗Eoff作为传导损耗（以额定电流下的饱和电压VCE，sat表示）的函数关系作图来说明。图2示出HS3系列的优化效果，作为参考也列出以前各代器件的折衷点。
HS3产品和TrenchStop2产品相比，关断损耗减小了40%，而饱和电压VCE，sat却被提高了400mV。但是，和以前的快开关IGBT相比,HS3产品的Eoff减小了15%，同时减小的传导损耗（VCE，sat）大于1V。
下文讨论新产品提供高于20KHz高频应用的新基准性能。
图1 IGBT各代的变革 （把图中的英文换成下面相应的中文）
PunchThrouthNonPunchThroughTrench Field-Stop
穿通非穿通沟槽 电场截止
优点优点
*背面注入发射极*背面注入发射极
*更好调整*能注入电场截止区
薄基区
性能性能
*低开关损耗*低VCEsat
*较高的开关坚韧性*低开关损耗
*较高的开关坚韧性
图2 HS3（HighSpeed3）系列和以前各代产品的导通损耗和关断损耗的折衷图
HS3的另一个收效是它还具有平滑的开关特性，没有干扰瞬变或高压尖峰。图3示出了HS3系列的IKW40N120H3和TrenchStop2系列的IKW40N20T2开关曲线比较。HS3器件表明具有很陡的电压和电流斜率，但仍能保持平滑的转换到零电流而没有过剩的拖尾电流。
图3 IKW40N120H3和IKW40N120T2在额定电流下开关曲线的比较。总线电压是800V，器件温度是175℃
2.2 技术概述：二极管
当需要IGBT并联续流二极管应用时，将HS3-IGBT与2007年引入的发射极控制二极管的第4代结构组合[4]。它提供极佳的传导损耗，同时由于优化了垂直设计使IGBT的导通损耗减至最小。
为进一步改进，对特定应用的分析表明，这些逆变器中的能量流动是单向的。从热学观点来讲，桥式逆变器中续流二极管产生最大应力的条件是在驱动起动或“制动”时，用-cosφ来表征。在这种负载情况下，二极管损耗的主要部分可以认定为传导损耗。当起动不算在应用范围时，二极管的热应力状态不严重，此时损耗的主要部分是开关损耗。对高频应用，它提供了新的优化机遇。
应当指出，二极管的损耗由漂移区中过剩载流子传导的等离子体来决定。一方面，由于其高载流子密度才能保证低的传导损耗，但另一方面要二极管维持电压又必须从器件中将其抽走。而其电量（可用转换时反向恢复电荷Qrr来表示）的增加线性地小于电流密度的增加。因此，如果对给定的电流，采用较小面积的二极管使其在高电流密度下驱动的话，二极管的开关损耗和二极管引起IGBT导通损耗会减小。当然，要记住，二极管的传导损耗会随电流密度的增加而增加。
在HS3产品系列中，所用二极管的尺寸小于Tenchstop2系列，以此来改善高频性能。图4直观地示出IKW40N120H3（为单向能流优化的二极管）和IKW40N120T20（适于起动模式）二极管参数的比较。
图4 将IKW40N120H3和IKW40N120T2置于双封装产品中的二极管，如对IKW40N120H3导通损耗的影响一样，比较了两者二极管的静态和动态特性。
为提高系统效率而选择二极管获得的效益将在下面应用部分讨论。必须指出，增加二极管电流密度的理念只可能用第4代发射极控制二极管的优良坚韧度来实现。而由于不同的IGBT/二极管的面积比，较高的电流密度和较快的开关时间会增加动态应力。对二极管应力最好的量度是用二极管换向时产生的最大瞬态功耗Pdmax来表示。图5针对IKW40N120H3示出了第4代发射极控制二极管的特征性能。为得到这样的应力电平，需要附加条件：IGBT开关要维持在25C，而二极管要加热到它的最高结温。但在高端-低端器件上，具有类似负载和损耗的实际应用中，开关和二极管的温度非常接近。因为两者在实验中有相同的冷却条件和共同的引线框架。为进一步提高IGBT开关速度，必须在非常低的栅电阻和超过最大定额的高栅压来驱动。在典型应用条件（Ugate=15V，额定电流下）栅压超过定额至少4成都未发现有破坏现象产生。
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
摘要：最近几年，分立的IGBT已在不同的领域广泛应用，诸如传动用逆变器、电感性加热、焊接、太阳能发电用逆变器和UPS。这些应用装置在某些方面仍有本质上的不同要求，需要应用优化的专用器件。
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
本文阐述第三代1200V高速器件（“HS3”产品系列），它是专为焊接，太阳能发电逆变器和UPS等高频应用设计的。这些应用的典型工作频率范围是20K--40KHz，要求开关损耗低于典型的传动应用的损耗，后者在10KHZ甚至在更低范围中应用。但是，饱和电压VCE，sat在整个损耗中仍起重要的作用，为此要找到开关损耗和传导损耗之间良好的平衡。文中提供了新产品的特性并和市场上的其他产品系列做了比较。这些新产品的效益在特定装置的应用中获得了验证。
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
1 引言
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
电能的高效利用是电力电子获得迅速发展的主要推动力之一。IGBT技术为这些应用提供优化的专用器件来支持这种趋势[1]-[3]。虽然IGBT当前的主要市场仍属电力传动部分，但最近几年，其他应用领域，诸如UPS（不中断电源），光伏逆变器也取得了显著的市场份额。对各种应用——从大功率传动用的逆变器到独特的烹调电器用的电线插孔（cookinghubs）——都是将它用作功率开关。其中大多数是以DC/AC变换方式来应用，但仍有不同特性的要求。例如，电力传动逆变器要求器件具有较强的坚韧性，包括应付负载短路电流等失效模式的能力。而用于UPS或太阳能逆变器，则侧重于效率和输出信号的质量。这样，后者在较高频率下驱动时可减轻滤波器工作。当然，电力传动也一样要求高效率，因为要小型化就要求严格限制系统的总损耗。本文介绍的新一代1200V高速（HighSpeed）IGBT3（简称：HS3-系列）是针对UPS，太阳能逆变器和焊接等装置应用专门开发的。它侧重于提高效率和用于高于20KHz的高频开关，以及具有更好的抗电磁干扰性能与软开关特性。
plcjs.技.术_网
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
下文首先阐述IGBT和二极管的特点，再阐述所选应用条件的优点。
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
2 HS3产品特性
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
2.1 技术概述：IGBT
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
HS3-IGBT产品系列是在已定型的TrenchStop2产品系列相同技术基础上的延伸。针对前几个技术发展阶段和电压等级（见图1），英飞凌技术公司用现代薄片技术将沟槽（Trench）MOS单元结合场截止（Stop）理念进行优化。为了优化性能，这种理念允许对IGBT收集极特性进行技术调制。这种方法的好处本身表明，尤其在耐短路电流和脉冲电流的坚韧性方面是优越的，软开关特性也一样优越。不过，TrenchStop2系列的目标是提高低、中频直到20KHz的逆变器的效率，而HS3系列则为高频运作优化发射极。
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
众所周知，对给定的IGBT技术基础（用单元布局和垂直设计为表征），在器件的漂移区采用等离子体技术调制可得到不同的器件特性。调整IGBT器件中固有的PNP晶体管的增益，可找到传导损耗和开关损耗之间的关系或不同的折衷点。通常，以关断损耗Eoff作为传导损耗（以额定电流下的饱和电压VCE，sat表示）的函数关系作图来说明。图2示出HS3系列的优化效果，作为参考也列出以前各代器件的折衷点。
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
HS3产品和TrenchStop2产品相比，关断损耗减小了40%，而饱和电压VCE，sat却被提高了400mV。但是，和以前的快开关IGBT相比,HS3产品的Eoff减小了15%，同时减小的传导损耗（VCE，sat）大于1V。
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
下文讨论新产品提供高于20KHz高频应用的新基准性能。
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
图1 IGBT各代的变革 （把图中的英文换成下面相应的中文）
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
PunchThrouthNonPunchThroughTrench Field-Stop
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
穿通非穿通沟槽 电场截止
WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
优点优点
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
*背面注入发射极*背面注入发射极
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
*更好调整*能注入电场截止区
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
薄基区
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
性能性能
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
*低开关损耗*低VCEsat
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
*较高的开关坚韧性*低开关损耗
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
*较高的开关坚韧性
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
图2 HS3（HighSpeed3）系列和以前各代产品的导通损耗和关断损耗的折衷图
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
plcjs.技.术_网
HS3的另一个收效是它还具有平滑的开关特性，没有干扰瞬变或高压尖峰。图3示出了HS3系列的IKW40N120H3和TrenchStop2系列的IKW40N20T2开关曲线比较。HS3器件表明具有很陡的电压和电流斜率，但仍能保持平滑的转换到零电流而没有过剩的拖尾电流。
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
图3 IKW40N120H3和IKW40N120T2在额定电流下开关曲线的比较。总线电压是800V，器件温度是175℃
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
2.2 技术概述：二极管
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
当需要IGBT并联续流二极管应用时，将HS3-IGBT与2007年引入的发射极控制二极管的第4代结构组合[4]。它提供极佳的传导损耗，同时由于优化了垂直设计使IGBT的导通损耗减至最小。
WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
为进一步改进，对特定应用的分析表明，这些逆变器中的能量流动是单向的。从热学观点来讲，桥式逆变器中续流二极管产生最大应力的条件是在驱动起动或“制动”时，用-cosφ来表征。在这种负载情况下，二极管损耗的主要部分可以认定为传导损耗。当起动不算在应用范围时，二极管的热应力状态不严重，此时损耗的主要部分是开关损耗。对高频应用，它提供了新的优化机遇。
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
应当指出，二极管的损耗由漂移区中过剩载流子传导的等离子体来决定。一方面，由于其高载流子密度才能保证低的传导损耗，但另一方面要二极管维持电压又必须从器件中将其抽走。而其电量（可用转换时反向恢复电荷Qrr来表示）的增加线性地小于电流密度的增加。因此，如果对给定的电流，采用较小面积的二极管使其在高电流密度下驱动的话，二极管的开关损耗和二极管引起IGBT导通损耗会减小。当然，要记住，二极管的传导损耗会随电流密度的增加而增加。
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
在HS3产品系列中，所用二极管的尺寸小于Tenchstop2系列，以此来改善高频性能。图4直观地示出IKW40N120H3（为单向能流优化的二极管）和IKW40N120T20（适于起动模式）二极管参数的比较。
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
图4 将IKW40N120H3和IKW40N120T2置于双封装产品中的二极管，如对IKW40N120H3导通损耗的影响一样，比较了两者二极管的静态和动态特性。
WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
为提高系统效率而选择二极管获得的效益将在下面应用部分讨论。必须指出，增加二极管电流密度的理念只可能用第4代发射极控制二极管的优良坚韧度来实现。而由于不同的IGBT/二极管的面积比，较高的电流密度和较快的开关时间会增加动态应力。对二极管应力最好的量度是用二极管换向时产生的最大瞬态功耗Pdmax来表示。图5针对IKW40N120H3示出了第4代发射极控制二极管的特征性能。为得到这样的应力电平，需要附加条件：IGBT开关要维持在25C，而二极管要加热到它的最高结温。但在高端-低端器件上，具有类似负载和损耗的实际应用中，开关和二极管的温度非常接近。因为两者在实验中有相同的冷却条件和共同的引线框架。为进一步提高IGBT开关速度，必须在非常低的栅电阻和超过最大定额的高栅压来驱动。在典型应用条件（Ugate=15V，额定电流下）栅压超过定额至少4成都未发现有破坏现象产生。
本新闻共2页,当前在第1页1 2
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
上一篇: 大功率可再生能源应用——最先进的设计提案(1)下一篇: 浅谈电力电子技术
评论内容
载入中...
载入中...
P
L
C
技
术
网
|
可
编
程
控
制
器
技
术
门
户
|
十
万
P
L
C
工
程
师
的
共
同
选
择
！
L
C
技
术
网
|
可
编
程
控
制
器
技
术
门
户
|
十
万
P
L
C
工
程
师
的
共
同
选
择
！
·最新招聘信息
·最新求职信息
·推荐产品
·推荐厂商
·栏目热门排行
·站内热门排行