摘要:醫(yī)療儀器、焊機和等離子切割機用電源的市場在不斷擴大，這些設備工作在20~50kHz或更高的高頻范圍。本文講述了近來開發(fā)的、用于這一高頻領域的IGBT模塊的設計理念。由于在這些應用中工作頻段為高頻范圍，因此器件的開關損耗（開通、關斷以及反向恢復損耗）是主要的功耗。通過降低背P+層載流子密度（應理解為摻雜濃度——譯者注），減小IGBT芯片中元胞的重復步距，并優(yōu)化IGBT/FWD通態(tài)電壓與開關損耗之間的折衷關系，可以得到更低的開關損耗。因而，這種新開發(fā)的IGBT模塊的總功耗比標準IGBT模塊（第5代系列）降低了25%。使用這種模塊，能進一步提高效率、實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。

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)最低的總功耗。

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（V_CE(sat)）和關斷損耗（E_off）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最低，我們在設計IGBT芯片時將其性能設定在折衷曲線中V_CE(sat) 偏高、E_off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I_C和V_ce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V_CE(sat)會增大。此外，通過優(yōu)化反向傳輸電容（C_res）和輸入電容（C_ies）的比率，可以縮短V_ce的上升時間，從而減小了V_ce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V_ce上升時間變短。表1給出了標準模塊（富士第五代U4系列模塊）與新開發(fā)的高速IGBT模塊的通態(tài)電壓和開關損耗的比較。高速IGBT芯片的關斷損耗幾乎降至標準模塊的一半，但V_CE(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