本文闡述第三代1200V 高速器件（“HS3”產品系列），它是專為焊接，太陽能發電逆變器和UPS等高頻應用設計的。這些應用的典型工作頻率范圍是20K--40KHz，要求開關損耗低于典型的傳動應用的損耗，后者在10KHZ甚至在更低范圍中應用。但是，飽和電壓VCE，sat在整個損耗中仍起重要的作用，為此要找到開關損耗和傳導損耗之間良好的平衡。文中提供了新產品的特性并和市場上的其他產品系列做了比較。這些新產品的效益在特定裝置的應用中獲得了驗證。
1引言
電能的高效利用是電力電子獲得迅速發展的主要推動力之一。IGBT技術為這些應用提供優化的專用器件來支持這種趨勢[1]-[3]。雖然IGBT當前的主要市場仍屬電力傳動部分，但最近幾年，其他應用領域，諸如UPS（不中斷電源），光伏逆變器也取得了顯著的市場份額。對各種應用——從大功率傳動用的逆變器到獨特的烹調電器用的電線插孔（cooking hubs）——都是將它用作功率開關。其中大多數是以DC/AC變換方式來應用，但仍有不同特性的要求。例如，電力傳動逆變器要求器件具有較強的堅韌性，包括應付負載短路電流等失效模式的能力。而用于UPS或太陽能逆變器，則側重于效率和輸出信號的質量。這樣，后者在較高頻率下驅動時可減輕濾波器工作。當然，電力傳動也一樣要求高效率，因為要小型化就要求嚴格限制系統的總損耗。本文介紹的新一代1200V高速（High Speed）IGBT3（簡稱：HS3-系列）是針對UPS，太陽能逆變器和焊接等裝置應用專門開發的。它側重于提高效率和用于高于20KHz的高頻開關，以及具有更好的抗電磁干擾性能與軟開關特性。
下文首先闡述IGBT和二極管的特點，再闡述所選應用條件的優點。
2 HS3產品特性
2.1技術概述：IGBT
HS3-IGBT產品系列是在已定型的TrenchStop2產品系列相同技術基礎上的延伸。針對前幾個技術發展階段和電壓等級（見圖1），英飛凌技術公司用現代薄片技術將溝槽（Trench）MOS單元結合場截止（Stop）理念進行優化。為了優化性能，這種理念允許對IGBT收集極特性進行技術調制。這種方法的好處本身表明，尤其在耐短路電流和脈沖電流的堅韌性方面是優越的，軟開關特性也一樣優越。不過，TrenchStop2系列的目標是提高低、中頻直到20KHz的逆變器的效率，而HS3系列則為高頻運作優化發射極。
眾所周知，對給定的IGBT技術基礎（用單元布局和垂直設計為表征），在器件的漂移區采用等離子體技術調制可得到不同的器件特性。調整IGBT器件中固有的PNP晶體管的增益，可找到傳導損耗和開關損耗之間的關系或不同的折衷點。通常，以關斷損耗Eoff作為傳導損耗（以額定電流下的飽和電壓VCE，sat表示）的函數關系作圖來說明。圖2示出HS3系列的優化效果，作為參考也列出以前各代器件的折衷點。
HS3產品和TrenchStop2產品相比，關斷損耗減小了40%，而飽和電壓VCE，sat卻被提高了400mV。但是，和以前的快開關IGBT相比, HS3產品的Eoff減小了15%，同時減小的傳導損耗（VCE，sat）大于1V。
下文討論新產品提供高于20KHz高頻應用的新基準性能。
圖1 IGBT各代的變革
圖2 HS3（HighSpeed3）系列 和以前各代產品的導通損耗和關斷損耗的折衷圖
HS3的另一個收效是它還具有平滑的開關特性，沒有干擾瞬變或高壓尖峰。圖3示出了HS3系列的IKW40N120H3和TrenchStop2系列的IKW40N20T2開關曲線比較。HS3器件表明具有很陡的電壓和電流斜率，但仍能保持平滑的轉換到零電流而沒有過剩的拖尾電流。
圖3 IKW40N120H3和IKW40N120T2在額定電流下開關曲線的比較。總線電壓是800V，器件溫度是175℃
2.2技術概述：二極管
當需要IGBT并聯續流二極管應用時，將HS3-IGBT與2007年引入的發射極控制二極管的第4代結構組合[4]。它提供極佳的傳導損耗，同時由于優化了垂直設計使IGBT的導通損耗減至最小。
為進一步改進，對特定應用的分析表明，這些逆變器中的能量流動是單向的。從熱學觀點來講，橋式逆變器中續流二極管產生最大應力的條件是在驅動起動或“制動”時，用-cosφ來表征。在這種負載情況下，二極管損耗的主要部分可以認定為傳導損耗。當起動不算在應用范圍時，二極管的熱應力狀態不嚴重，此時損耗的主要部分是開關損耗。對高頻應用，它提供了新的優化機遇。
應當指出，二極管的損耗由漂移區中過剩載流子傳導的等離子體來決定。一方面，由于其高載流子密度才能保證低的傳導損耗，但另一方面要二極管維持電壓又必須從器件中將其抽走。而其電量（可用轉換時反向恢復電荷Qrr來表示）的增加線性地小于電流密度的增加。因此，如果對給定的電流，采用較小面積的二極管使其在高電流密度下驅動的話，二極管的開關損耗和二極管引起IGBT導通損耗會減小。當然，要記住，二極管的傳導損耗會隨電流密度的增加而增加。
在HS3產品系列中，所用二極管的尺寸小于Tenchstop2系列，以此來改善高頻性能。圖4直觀地示出IKW40N120H3（為單向能流優化的二極管）和IKW40N120T20（適于起動模式）二極管參數的比較。
圖4 將IKW40N120H3和IKW40N120T2置于雙封裝產品中的二極管，如對IKW40N120H3導通損耗的影響一樣，比較了兩者二極管的靜態和動態特性。
為提高系統效率而選擇二極管獲得的效益將在下面應用部分討論。必須指出，增加二極管電流密度的理念只可能用第4代發射極控制二極管的優良堅韌度來實現。而由于不同的IGBT/二極管的面積比，較高的電流密度和較快的開關時間會增加動態應力。對二極管應力最好的量度是用二極管換向時產生的最大瞬態功耗Pdmax來表示。圖5針對IKW40N120H3示出了第4代發射極控制二極管的特征性能。為得到這樣的應力電平，需要附加條件：IGBT開關要維持在25°C，而二極管要加熱到它的最高結溫。但在高端-低端器件上，具有類似負載和損耗的實際應用中，開關和二極管的溫度非常接近。因為兩者在實驗中有相同的冷卻條件和共同的引線框架。為進一步提高IGBT開關速度，必須在非常低的柵電阻和超過最大定額的高柵壓來驅動。在典型應用條件（Ugate=15V，額定電流下）柵壓超過定額至少4成都未發現有破壞現象產生。
圖5 二極管應力用峰值功耗Pdmax來度量。甚至在超過規格限度的條件下也未達到破壞區域。
2.3產品系列
HSp3產品系列分為3個電流檔次，都用TO247工業標準封裝。所有的電流檔次都有單個IGBT和同封裝優化的二極管。其中25A電流檔的主要參數與Trenchstop2、Fast IGBT產品系列的比較示于圖6。HSp3系列提供了高頻相關電參數的重要改進。
圖6 HS3系列產品的IKW25N120H3與以前各檔次產品IKW25N120T2、SKW25N120的靜態和動態參數的比較。所有動態數據是在總線電壓600V，柵電阻22.3Ω（IKW25N120H3的額定值）時給出。
3應用研究
3.1具有正弦電流輸出的逆變器
在許多應用中，電力電子系統的主要功能是將DC總線電壓轉換為正弦AC信號。在UPS應用的功能是，當斷電時，其輸出信號將立刻仿真和取代外電網。對太陽能發電系統，則是將光伏板面上產生的直流電轉換為和電網特征相匹配的2相-3相交流信號，并把產生的電力高效地輸入到電網中。
廣泛使用的拓撲是具有不同數量支路的橋式結構，其中的開關是用預期高于輸出頻率的恒定頻率下驅動的，所要求的波形用脈寬調制（PWM）法產生。
顯然，整個逆變器的效率是設計的依據，因為它決定UPS的中間轉換能力和太陽能發電的有效功率輸出。有源元件（功率開關）和無源元件（磁元件）都會產生損耗。對于有源元件，由IGBT和二極管組成的單個開關產生的損耗很容易從組成的功率器件的靜態和動態特性計算出來[5]，[6]。
計算損耗的一個重要參數是負載特征，即產生輸出信號的功率因數，用其電壓和電流之間的相角φ的COS函數表示。
圖7示出橋式結構中單個開關損耗的仿真結果，電橋的輸出電流：40Arms，輸入總線電壓600V。三個作比較的開關器件分別是40A-HS3、40A-TrechStop2和一個基準對比器件的單個器件。逆變器的開關頻率設在20KHz。
圖7 在20KHz逆變器中，對輸出信號（50Hz40Arms）的不同功率因數，IKW40N120H3、IKW40N120T2和基準對比器件的損耗。總線電壓設在600V。
由圖7可見，新HS3器件提供了最好的性能。對所有對比的器件，IGBT的損耗占絕大部分，其中開關瞬間產生的損耗又占主要部分。值得注意的是HS3中的IGBT和二極管二者的損耗和基準對比器件TrenchStop2相比還有所減少。
從上述損耗對比可見，對不需要雙向能流的應用，HS3產品顯著提高了逆變器的效率。從系統觀點來看，這對給定輸出功率和開關頻率，可降低冷卻的要求。或者說，如維持開關損耗、冷卻條件和磁元件尺寸不變，則可提高開關速度，還可降低系統成本。
對給定一組條件來計算最大可能輸出均方根電流，也是一種判斷器件能力的方法
圖8 針對不同的功率因數，逆變器受熱限制的最大輸出電流
隨開關頻率的變化而改變的函數關系圖。
圖8 示出，針對一組不同的功率因數，IKW40N120H3的最大rms（均方根）輸出電流作為頻率的函數關系。其輸出功率的極限是假定器件已達到最大結溫而管殼溫度保持在80°C時計算出來的。在60KHz開關頻率（對應峰值電流約為85A），功率因數都是1.0和0.7時，IKW40N20H3能提供輸出電流40Arms。盡管優化二極管的小的熱尺寸，限制的主要部分仍是IGBT。作為驗證，也示出了功率因數為—0.7在20KHz（對應驅動逆變器的典型制動條件）時二極管的最大輸出電流。這時，二極管是高應力和小尺寸組合，其最大輸出電流約為25Arms（圖8中顯示最大輸出電流約為45Arms，疑誤。——譯者）。
3.2具有三角形和梯形電流的升壓轉換器
本節討論第2種拓撲類型是升壓轉換器。它是太陽能逆變器的升壓級，將在惡劣天氣條件下太陽能面板的低輸出電壓提升。對UPS系統是作電池充電器。
此時的拓撲不需要內部的續流二極管。然而，實際上由于安全原因仍然保留著，因為開關過程中會出現寄生振蕩，需要箝住負電壓。升壓轉換器可以在非連續電流模式（DCM，開關中是三角電流波形）工作，也可在連續電流模式（CCM，不規則四邊形電流波形）工作。后者在開關導通和二極管換向時的次側產生損耗。做為模型計算，要考慮在小功率電平下從CCM 轉換DCM 時的兩種工作模式。
圖9 升壓轉換器（上圖是DCM、下圖是CCM模式）受熱限制的最大輸出電流和開關頻率的函數關系。具體條件見正文。
圖9示出升壓轉換器受熱限制的最大輸出電流和開關頻率的函數關系圖。圖中假定，開關在阻斷電壓為800V，TcaseE=110℃、Tj=150℃時工作。對DCM，假定占空因數d=0.3，對CCM，d=0.5，并假定，導通電流是關斷電流的50%。導通損耗采用了反向恢復時間可忽略的SiC二極管IDH0S120來測定的，這樣顯著的減小了導通損耗。
對這兩種運作條件， HS3顯出最好的性能。對DCM，得到的電流比當前最好檔次的產品高20%，并和頻率無關。對CCM，特別是和SKW25N20相比，差別略小一些。這兩項的對比很重要。
首先，HS3的最大結溫是175℃，而SKW25N120是150℃。這樣，對IKW25N120H3來講，提高器件P-N結和管殼的溫差ΔT時有可能得到更大的電流。而對SKW25N20來講，這些條件已使它達到最大定額。
其次，業已表明，更好的利用新一代硅可提高Rthjc大約15%。正如在本文熱仿真條件下，對同樣的輸出電流，IKW25N120H3的絕對損耗水平低大約15%，系統效率更好。提高最大結溫的同時，還開拓了這類應用的系統優化途徑，將得到效率和功率密度之間新的折衷條件。
4結論
本文介紹了新一代1200V HS3產品系列，討論了IGBT和二極管二者與當前最好檔次產品相比后的電參數的改進。對具有正弦波輸出的橋式逆變器和升壓轉換器來說，這些改進已轉化為系統效率和最大輸出電流。而且表明，新一代HS3產品系列在高于20KHz范圍中提供了基準性能，因為在此頻段，它對IGBT和二極管兩者在開關損耗和導通損耗之間取得均衡的損耗分配。
參考文獻
[1].T.Laska,A.Mauder.L.Lorenz:“The Field Stop IGBT Concept with an Optimized Diode”Proceedings PCIM Europe 2000
[2].Yizheng.zhou.W.frank.Ziying Chen,“New Trench Field IGBT in UPS Application”Proc.PCIM.China 2007
[3]H.Husken,W frank.F.Hille.Ziying Chen.“A New high voltage diode technologywith reduced switching loseses and improved Softness”Proc.PCIM.Europe 2007.
[4].F.Hille,M.babler.H.P.Feise.E.Falck.A.schieber.A.Mauder.“1200V Emcon4 freewheeling diode—a soft alternative”Proc of ISPSD 2007
[5].“Dimensioning program IPOSIM for loss and thermal caculation of Infineon IGBT modules”Infineon Technologies,2006 And references therein
[6].D.Srajber,W.Lukasch, “The calculation of the power dissipation for the IGBT and the inverse diode in circuits with the Sinusoidal output voltage”Proceedings electronica ’92.