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(yīng)用，尤其是電機(jī)驅(qū)動器、不間斷電源(UPS)、可再生能源、電焊機(jī)、感應(yīng)加熱爐具和其他需要高電流和高電壓能力的逆變器應(yīng)用。短路耐受能力也是IGBT用于逆變器應(yīng)用的一項重要功能。在逆變器驅(qū)動UPS或電機(jī)應(yīng)用中，IGBT如果在故障電機(jī)、輸出短路或輸入總線電壓直通情形中導(dǎo)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(hù)功能激活前，IGBT將承受電壓力。從拓?fù)渖峡矗壷悬c(diǎn)箝位拓?fù)湓絹碓狡毡?，甚至可?yīng)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(guān)損耗的情況下增加開關(guān)頻率。在這種情況下，650V擊穿電壓為滿足應(yīng)用要求提供了極大的幫助。由于無法在三級NPC拓?fù)渲型昝榔胶庵绷髂妇€電壓，較高的阻斷電壓對此拓?fù)錁O其重要。開發(fā)650V IGBT時，將開關(guān)和傳導(dǎo)損耗保持在與600V IGBT相同水平至關(guān)重要。通常較高的擊穿電壓會造成Vce(sat)增加，并導(dǎo)致逆變器應(yīng)用中的性能降低。同時，Vce(sat)和開關(guān)性能存在權(quán)衡取舍。這意味著補(bǔ)償因較高電壓設(shè)計導(dǎo)致的Vce(sat)增加可能會減慢開關(guān)性能，增加系統(tǒng)中的開關(guān)損耗。因此，在選擇曲線中找到最佳設(shè)計點(diǎn)對開發(fā)650V IGBT至關(guān)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(shù)

場截止溝道技術(shù)利用溝道柵結(jié)構(gòu)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(shù)實現(xiàn)了比上一代技術(shù)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(shù)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(quán)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(jìn)，因為較高的阻斷電壓和較小的尺寸導(dǎo)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(shù)還減少了每轉(zhuǎn)換周期的關(guān)斷能耗，如圖1所示。此增強(qiáng)的權(quán)衡特性使逆變器設(shè)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(guān)斷狀態(tài)漏電流，最大結(jié)溫為175℃。

圖1 權(quán)衡特性

對比評估結(jié)果

新場截止溝道IGBT通過同樣利用類似場截止技術(shù)的競爭設(shè)備來評估。在Tj=25℃、Ic=80A、Vce=400V、Vge=15V和Rg=5Ohm的開關(guān)測試中，F(xiàn)GH75T65UPD顯示183uJ的關(guān)斷損耗。額定值為75A/600V的競爭產(chǎn)品IGBT的開關(guān)損耗為231uJ。評估相同封裝的二極管的反向恢復(fù)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?fù)涞那闆r下減小橋臂中IGBT的開通損耗。開關(guān)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(guān)頻率均為19kHz。升壓級保持原始設(shè)計不變，F(xiàn)GH75T65UPD和競爭產(chǎn)品IGBT應(yīng)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(jié)果。FGH75T65UPD的EURO和CEC加權(quán)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(guān)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(quán)衡取舍。FGH50T65UPD顯示10A和20A的權(quán)衡取舍，這是多數(shù)應(yīng)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(biāo)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(jié)。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(fù)載時接近FGH50T65UPD。這與估計值相匹配。此外，效率差距隨著負(fù)載的減小而變大。這也與圖3相符，圖3中顯示當(dāng)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(jié)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(jìn)，新場截止溝道IGBT可實現(xiàn)高效和可靠的逆變器系統(tǒng)。