用于逆變器應用的耐用型650V溝道IGBT

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用，尤其是電機驅動(dòng)器、不間斷電源(UPS)、可再生能源、電焊機、感應加熱爐具和其他需要高電流和高電壓能力的逆變器應用。短路耐受能力也是IGBT用于逆變器應用的一項重要功能。在逆變器驅動(dòng)UPS或電機應用中，IGBT如果在故障電機、輸出短路或輸入總線(xiàn)電壓直通情形中導通，可能會(huì )損壞。在這些條件下，經(jīng)過(guò)IGBT的電流快速增加直至飽和。在故障檢測和保護功能激活前，IGBT將承受電壓力。從拓撲上看，三級中點(diǎn)箝位拓撲越來(lái)越普遍，甚至可應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(shí)在不過(guò)分犧牲開(kāi)關(guān)損耗的情況下增加開(kāi)關(guān)頻率。在這種情況下，650V擊穿電壓為滿(mǎn)足應用要求提供了極大的幫助。由于無(wú)法在三級NPC拓撲中完美平衡直流母線(xiàn)電壓，較高的阻斷電壓對此拓撲極其重要。開(kāi)發(fā)650V IGBT時(shí)，將開(kāi)關(guān)和傳導損耗保持在與600V IGBT相同水平至關(guān)重要。通常較高的擊穿電壓會(huì )造成Vce(sat)增加，并導致逆變器應用中的性能降低。同時(shí)，Vce(sat)和開(kāi)關(guān)性能存在權衡取舍。這意味著(zhù)補償因較高電壓設計導致的Vce(sat)增加可能會(huì )減慢開(kāi)關(guān)性能，增加系統中的開(kāi)關(guān)損耗。因此，在選擇曲線(xiàn)中找到最佳設計點(diǎn)對開(kāi)發(fā)650V IGBT至關(guān)重要。新的場(chǎng)截止溝道IGBT正是為滿(mǎn)足這些要求而開(kāi)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(guò)系統級評估驗證。

場(chǎng)截止溝道技術(shù)

場(chǎng)截止溝道技術(shù)利用溝道柵結構和高度摻雜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(shí)現了比上一代技術(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(chǎng)截止溝道IGBT的電流密度是之前場(chǎng)截止平面技術(shù)的兩倍以上。圖1顯示FGH75T65UPD、新的75A/650V場(chǎng)截止溝道IGBT和FGH75N60UF、75A/600V上一代場(chǎng)截止平面IGBT的權衡特性。FGH75T65UPD在25℃、75A時(shí)實(shí)現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(dòng)面積減小，此特性有顯著(zhù)改進(jìn)，因為較高的阻斷電壓和較小的尺寸導致Vce(sat)增加。此低Vce(sat)是新場(chǎng)截止溝道IGBT的主要優(yōu)勢。場(chǎng)截止溝道技術(shù)還減少了每轉換周期的關(guān)斷能耗，如圖1所示。此增強的權衡特性使逆變器設計能夠滿(mǎn)足較高系統效率的市場(chǎng)需求。盡管硅面積減小，新場(chǎng)截止溝道IGBT在因熱失控出現故障之前提供5us短路耐受時(shí)間，這是上一代IGBT無(wú)法提供的。新場(chǎng)截止溝道IGBT也有較低的關(guān)斷狀態(tài)漏電流，最大結溫為175℃。

圖1 權衡特性

對比評估結果

新場(chǎng)截止溝道IGBT通過(guò)同樣利用類(lèi)似場(chǎng)截止技術(shù)的競爭設備來(lái)評估。在Tj=25℃、Ic=80A、Vce=400V、Vge=15V和Rg=5Ohm的開(kāi)關(guān)測試中，FGH75T65UPD顯示183uJ的關(guān)斷損耗。額定值為75A/600V的競爭產(chǎn)品IGBT的開(kāi)關(guān)損耗為231uJ。評估相同封裝的二極管的反向恢復特性。測試條件為If=40A，Tj=125℃，Vr=400V，di/dt=500A/us。新場(chǎng)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(gè)小Qrr值可在橋拓撲的情況下減小橋臂中IGBT的開(kāi)通損耗。開(kāi)關(guān)性能通過(guò)商業(yè)5.5kW額定值光伏并網(wǎng)逆變器來(lái)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(kāi)關(guān)頻率均為19kHz。升壓級保持原始設計不變，FGH75T65UPD和競爭產(chǎn)品IGBT應用于全橋逆變級。圖2顯示FGH75T65UPD和競爭產(chǎn)品IGBT的效率測試結果。FGH75T65UPD的EURO和CEC加權效率為94.37%和95.08%，競爭產(chǎn)品IGBT的分別為93.67%和94.37%。新場(chǎng)截止溝道IGBT具有卓越的開(kāi)關(guān)性能，因此效率更高。

圖2 PV逆變器效率