1 引言
用DC/DC 轉換器代替變壓器是電力電子技術關注重點之一。例如，采用再生能源的發(fā)電廠，人們已考慮采用DC/DC轉換器代替變壓器的背靠背(BTB) 直流輸電系統(tǒng)。一般來說，變壓器太笨重，不方便安裝電極，且造價太高。另外，對牽引應用，這種方案似乎也頗具吸引力。承載幾個電壓段的機車，例如15kV，162/3Hz 和25kV，50Hz 等，需要變壓器。如果采用DC/DC 轉換器做代替，可以減小尺寸，使機車有限空間得到擴展。
通常，這些DC/DC 轉換器工作在中頻到高頻范圍，亦即幾kHz 到十幾kHz。但是IGBT 模塊，做為DC/DC 轉換器的主要元件，人們在優(yōu)化、設計時，面向的是工作頻率低于kHz。如果傳統(tǒng)IGBT 模塊應用于這種DC/DC 轉換器，會由于中頻、高頻工作下開關或恢復損耗的積累造成熱奔。為了便于用DC/DC 轉換器替代變壓器，需要對IGBT 模塊進行重新設計。
最近， 人們已研發(fā)出一款用于20kHz-50kHz 的1.2kVIGBT 模塊。對功率越來越高的DC/DC 轉換器應用，需要高壓IGBT 模塊。且這些模塊應該適用于中頻、高頻的轉換。本文將介紹一種用于中、高頻轉換應用的、新型3.3kV IGBT 模塊。
2 器件設計理念
新設計的IGBT 模塊特別面向中頻應用。優(yōu)化了IGBT 和二極管芯片結構設計，從而減小開關損耗或恢復損耗。簡單地說，就是考慮了壽命控制參數，重輻照壽命控制技術用于降低內部載流子壽命。
在本新設計理念中，二極管的反向恢復過程采用ISETCAD進行了仿真。圖1 給出了二極管反向恢復波形及其電子
/ 空穴密度變化的仿真結果。新設計的二極管與傳統(tǒng)高速二極管( 日立D- 版二極管) 相比，拖尾電流更短，見圖1(a) 和圖1(b)。圖1(c)- 圖1(f) 給出了二極管恢復過程內部電子或空穴密度變化過程，其恢復波形如圖1(a) 和圖1(b)。在恢復波形的各時間點，給出了電子濃度和空穴濃度。對比傳統(tǒng)二極管和新設計的二極管可以看出，新設計的二極管電子和空穴被掃出，從而使器件恢復穩(wěn)態(tài)的速度更快，這就使恢復損耗降低。
這種設計概念也適用于新IGBT 芯片，從而獲得低關斷損耗。
圖1 諧振DC/DC 轉換器模擬電路中恢復過程仿真：(a)恢復波形( 新設計)；(b) 恢復波形( 傳統(tǒng)高速)；(c) 空穴濃度的變化( 新設計)；(d) 電子濃度的變化( 新設計)；(e) 空穴濃度的變化( 新設計)；(f) 電子濃度的變化( 新設計)
注：A，A’ 是圖1(a) 所示二極管的陽極和陰極。t1 是恢復前正向電流流通時刻，t2-t8 是圖1(a) 所示恢復過程各時間點
3 電特性
3.1 關斷和恢復特性
新設計的IGBT 芯片和二極管芯片安置在高絕緣封裝中，本文是針對1200A/ 3.3kV IGBT 模塊。圖3 給出了新設
計IGBT 模塊的關斷波形和恢復波形。如圖3 所示，新設計IGBT 模塊的關斷波形dv/dt 更高，恢復波形的拖尾電流更低。這些波形導致低導通損耗和恢復損耗特性更好。
3.2 折中與3 級逆變仿真
圖1 比較了新設計的IGBT 模塊與標準3.3kV IGBT 模塊( 日立E2- 型IGBT 模塊) 的折中曲線。由于采用了壽命控制，與標準IGBT 模塊相比，新設計的模塊關斷損耗和恢復損耗降低了。與此相反，Vce(sat) 和VF 增加了。通過降低開關損耗和恢復損耗，新設計的模塊將可用于雙向應用。
與雙向應用一樣，新設計的IGBT 模塊也適用于超過1kHz 的逆變應用。圖5 給出了采用標準IGBT 模塊和新設計
模塊的3 級逆變器損耗的仿真結果。當載波頻率超過1kHz，新設計的模塊比標準模塊的損耗要低。同時，新設計的模塊在2kHz 時，損耗明顯低于標準模塊。這種差異隨著載波頻率的增加會更大。在逆變應用中，當載波頻率很高時，新設計的IGBT 模塊與標準模塊相比，表現出更佳適用性。
4 諧振DC/DC 轉換器應用
4.1 初級端IGBT
為了評估這種新型二極管適用于雙向和中高頻應用的程度，在諧振DC/DC 轉換器模擬電路中測試了開關和恢復特性。圖6 給出了諧振DC/DC 轉換器電路拓撲和模擬測試總圖。單周期損耗整體波形如圖7(a) 所示。該工作模式模擬諧振DC/DC 轉換器的初級端IGBT。在該波形中，模擬了由諧振DC/DC 轉換器產生的Icp 和關斷電流。在此開關過程，假定開關頻率6kHz。通常，傳統(tǒng)IGBT 模塊工作在硬開關條件下。相反，工作在中等頻率范圍的諧振DC/DC 轉換器，通常建議工作在軟開關模式以減小開關損耗。在圖7(a) 的開通過程，模擬了零壓開關模式(ZVS)，即在導通前VCE 已變?yōu)?。因此，開關損耗與導通損耗和關斷損耗相比很低。根據測試結果，開通損耗占總損耗的3%。在關斷過程，是近零電流開關(ZCS) 模式關斷。
圖7(b) 把傳統(tǒng)高速模塊( 日立D- 型 IGBT，MBN1200H33D) 和新設計的IGBT 模塊作對比。新設計的模塊與傳統(tǒng)高速模塊相比，關斷損耗低25%，總損耗低15%。關斷波形的展開圖如圖8 所示。波形中存在一個表征充磁電流的關斷電流和近零電流，因此，表現為ZCS。新設計的IGBT 模塊與傳統(tǒng)高速模塊相比，dv/dt 更高。這種波形會使諧振DC/DC 轉換器的關斷損耗降低。
4.2 用于6.5kV IGBT 設計
為了使電子元器件更小，一種方法是使用更高電壓的IGBT。與采用3.3kV 的模塊相比，6.5kV IGBT 可以減少元件個數與尺寸。另外，通過將3.3kV 與6.5kV 模塊組合，可實現若干種DC/DC 轉換器電路。與3.3kV IGBT 模塊相同，傳統(tǒng)6.5kV IGBT 模塊優(yōu)化時，適用于低頻和硬開關工作。為了適應中頻和軟開關工作，與3.3kV IGBT 相似的設計概念也應用在6.5kV IGBT 模塊中。
圖9 給出了6.5kV 新設計IGBT 模塊和傳統(tǒng)IGBT 模塊( 日立E2 型，MBN500H65E2) 在DC/DC 轉換器模擬電路中的關斷波形。與標準IGBT 相比，新設計的IGBT 的損耗低25%。我們的新設計概念，不僅適用于3.3kV IGBT，還適用于其他電壓級別的IGBT。
4.3 4 次級端二極管整流器及其與SiC-JBS 對比
圖10 給出了恢復過程的整體波形。這一工作模式模擬諧振DC/DC 轉換器的次級端二極管整流器。除了傳統(tǒng)高速模塊和新設計模塊，我們還評估了裝配著SiC- 肖特基二極管(JBS)的3.3kV / 200A 的SiC 混合模塊。之所以在典型電路中有必要評估SiC-JBS，是因為在DC/DC 轉換器中，用SiC 器件代替硅器件是減小轉換器的必由之路。
圖10(b) 給出了典型DC/DC 轉換器電路單周期工作的總能耗對比。新設計模塊與傳統(tǒng)高速模塊比，總能耗降低
47%。特別是恢復損耗降低迅速。與傳統(tǒng)高速模塊相比，新設計模塊的恢復功耗降低70% 以上。根據我們的結果，SiC-JBS的能耗最低。與傳統(tǒng)模塊相比，SiC-JBS 能耗下降率為58%。
圖11 給出了反向恢復過程的擴展波形。新設計的IGBT模塊恢復特性顯然比傳統(tǒng)高速模塊更快，這與圖1 中的仿真結果相同。因此，恢復損耗下降率達到70%。對于SiC-JBS，由于其結構特征，恢復電流近乎是零。這種情況恢復功耗最低。
5 結論
基于通過壽命控制優(yōu)化快速掃出內部載流子的理念，新設計的3.3kV IGBT 模塊具有快速開關和快速恢復特性。在諧振DC/DC 轉換器模擬電路中，與傳統(tǒng)高速模塊比，初級端IGBT 的損耗降低15%，次級端二極管的損耗降低47%。通過降低IGBT 和二極管的損耗，新設計的模塊將適用于雙向和中頻應用，例如DC/DC 諧振轉換器。這一設計概念也可用于6.5kVIGBT 和其他電壓等級器件。因此，可以考慮多種中頻應用電路拓撲。另外，我們還在模擬電路中評估了SiC-JBS 二極管。SiC-JBS 表現出最低功耗，對未來10kHz 以上的高頻應用，會帶來極大好處。不管怎么說，我們期待新設計概念適用于中頻應用，在SiC-JBS 出現在功率半導體市場前是一個理想的解決方案。