4.5kV IGBT/二極管芯片組在高壓直流輸電領(lǐng)域的應用

制造商已經(jīng)為高壓直流 (HVDC) 應用開(kāi)發(fā)出新的 4.5kV 絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)/ 二極管芯片組并對其性能進(jìn)行了優(yōu)化 。這種芯片組的特點(diǎn)是導通電壓損耗非常低、具備大電流高電壓快速開(kāi)通行為和高魯棒性的短路行為。在 IGBT 和二極管上應用 HDR 技術(shù)，可以獲得高魯棒性。4.5kV 級芯片組的出現，是對現有 3.3kV 和 6.5kV 高壓級芯片組產(chǎn)品的補強。該芯片組有兩種不同的外殼可供選擇：

第一個(gè)芯片組采用高度絕緣 6.5kV 模塊外殼，提供 10.2kV 隔離能力，具備的爬電距離和間隙距離能應付帶 2500-3000V 直流母線(xiàn)電壓的牽引應用的惡劣環(huán)境。第二個(gè)芯片組是為 IHV-B外殼設計的，是用途遍及全球的著(zhù)名 IHV-A 模塊的接班者。該模塊適合在工業(yè)應用中使用，例如中壓變頻器和各種高壓直流 (HVDC) 場(chǎng)合，也適合在柔性交流輸電系統 (FACTS) 應用領(lǐng)域使用。模塊參見(jiàn)圖 1。

圖 1：4.5kV FZ1200R45HL3 模塊的封裝

為未來(lái)的 HVDC 系統 – 相較于眾所周知的基于晶閘管的并網(wǎng)換相高壓直流傳輸，這些基于 IGBT 的電壓源轉換器 (VSC) 將會(huì )對未來(lái)的 HVDC 系統起到重要的作用?；?IGBT 的解決方案依賴(lài)于獨立的有功電流和無(wú)功電流控制，而這種控制又是借助 IGBT 的導通和關(guān)斷功能實(shí)現的。此外，它們在應付交流電網(wǎng)故障方面還表現出了優(yōu)越的性能。

在高壓應用領(lǐng)域，需要以串聯(lián)方式連接大量的半導體，而且必須保證高精度的同步開(kāi)關(guān)。為了更好地滿(mǎn)足如此苛刻的設計要求，建議在 HVDC 和 FACTS 等高壓應用中使用多電平 VSC - 模塊化多電平變換器 (MMC)。在 HVDC 應用中，單個(gè) IGBT 模塊的開(kāi)關(guān)頻率可以降低。因此，低通態(tài)損耗對于降低總功耗的作用尤其令人感興趣。

IGBT 和二極管的結構

IGBT 溝槽技術(shù)因為單元之間的載流子累積作用、單元間距和溝道長(cháng)度經(jīng)過(guò)優(yōu)化、并且有專(zhuān)為高阻斷電壓而設計的溝道寬度，所以通態(tài)損耗很低。因此，溝槽技術(shù)提供了一種影響單元下載流子濃度的可行辦法，并且影響范圍比標準平面技術(shù)的更寬。圖 2 描繪的是 4.5KV IGBT/ 二極管的剖面示意圖。兩種設備都采用了 VLD 結構(橫向摻雜)進(jìn)行邊緣終結。這種結構與垂直 HDR 結構相結合，令開(kāi)關(guān)序列期間的動(dòng)態(tài)雪崩現象減少，從而賦予 IGBT 極高的關(guān)斷魯棒性，賦予二極管極高的整流魯棒性。

圖 2：適用 HDR 和 VLD 邊緣終結的 IGBT(左)和 EC 二極管(右)的剖面示意圖

電氣性能

1)靜態(tài)特性

為了實(shí)現4.5KV IGBT 較低的導通狀態(tài)電壓，特意對眾所周知的 6.5KV 器件平臺溝槽技術(shù)進(jìn)行了調整。做法是選用合適的基體材料并且采用經(jīng)過(guò)調整的場(chǎng)截止(field stop) 和經(jīng)過(guò)優(yōu)化的電池設計，賦予 4.5kV 器件同類(lèi)最佳的通態(tài)特性?；?FZ1200R45HL3 模塊的標稱(chēng)電流 1200A，獲得了典型的 VCE(sat)=2.35 V@25℃，VCE(sat)=2.9V@125°C 和 VCE(sat)=3.0V@150℃。EC 二極管在電流等于標稱(chēng)電流 1200A 時(shí)表現出幾乎呈中性的溫度系數，在 25°C ≤ T ≤ 150°C 的溫度范圍內表現出典型的正向壓降并且 Vf≤2.5V。

2)動(dòng)態(tài)特性

額定條件下，即 VCE=2.8kV，IC =1200A 和 T=150℃ 的開(kāi)關(guān)波形如圖 3 所示。在這些條件下，可以發(fā)現存在換向電感為 150 nH 的軟關(guān)斷行為。VCE 不超過(guò) 3.4kV。在更加苛刻的條件下，即有雜散電感更高、電流更大、工作溫度低至 -40°C 時(shí)，軟關(guān)斷也能保證。典型的接通和反向恢復波形也被描繪成圖，圖中可以看到非常平滑的 IF 尾部漸變。

圖 3：典型波長(cháng) @ 800V / 1200A， 150µH， 150°C

關(guān)斷： VCE=400V/div， IC=150A/div， Rgoff=5.1 W ， VGE=5V/div

接通：VCE=350V/div， IC=300 A/div， Rgon=1.2 W ， VGE=5V/div

反向恢復： VCE=500V/div， IC=500A/div， Rgon=1.2 W

高電壓和高電流下開(kāi)關(guān)

在 HVDC 應用中，確保在發(fā)生故障時(shí)，IGBT 能在高電壓、大電流條件下及時(shí)表現出快速開(kāi)通行為非常重要，已對器件在超出 RBSOA 限制的此等條件下的耐用性進(jìn)行了評估。

溝道寬度是 IGBT 可采用的、針對可預測的失效事件而調整開(kāi)通行為的參數。溝道寬度增加，可獲得快速導通性能。但同時(shí)，溝道寬度增加，短路電流也會(huì )隨之增大，所以要受短路能力的限制。因此，必須在開(kāi)通性能與短路能力之間尋求平衡，或者也可以通過(guò)增強 IGBT 的垂直結構同時(shí)滿(mǎn)足提升開(kāi)通性能和增強短路能力兩個(gè)要求。

3)短路能力

為了證明 IGBT 的 1 型短路能力，對其施加 VCE=3000V、VGE=17V 和 T=125℃的苛刻條件。9500A，接近標稱(chēng)電流的 8 倍，被成功關(guān)斷。

垂直的 IGBT 結構經(jīng)過(guò)優(yōu)化，延長(cháng)短路時(shí)間下限直至器件失效。圖 4 顯示了一個(gè)短路波形。短路事件可以由 IGBT 模塊 FZ1200R45HL3 來(lái)處理，即使在 10μs 的短路持續時(shí)間之后，該裝置依然能夠提供可靠關(guān)斷。

圖 4：短路波形 @ 3000V， 125°C， VGE=17 V (VCE=500V/div， IC=1.3kA/div， VGE=10V/div)

4)IGBT 和二極管的魯棒性

在高壓直流應用以及牽引應用中， IGBT 和二極管能夠憑借其具備的高過(guò)流關(guān)斷能力提高系統的可靠性。

采用 HDR 概念后，終結系統對 IGBT 的魯棒性的影響可以忽略不計。只有單元設計會(huì )構成限制因素。溝槽結構容許進(jìn)一步降低 IGBT 的源極長(cháng)度。因為電流密度與源極長(cháng)度成反比地減少，所以溝槽 IGBT 的閉鎖免疫力得到了有效地改善，并且獲得優(yōu)異的關(guān)斷耐用性，具體表現在能開(kāi)關(guān) 比標稱(chēng)電流高 4 倍的電流而不導致電流或電壓信號發(fā)生嚴重振蕩。

除了低通態(tài)電壓外，新的 4.5kV EC 二極管還表現出低動(dòng)態(tài)功耗和非常高的魯棒性。已經(jīng)在 Pmax≥4MW 條件下對 200A 標稱(chēng)電流模塊進(jìn)行了二極管恢復測試，測試結果證明二極管沒(méi)有損壞。

5)浪涌電流能力

發(fā)生輸電線(xiàn)路短路等故障時(shí)，在二極管工作期間可能遭遇到高浪涌電流等失效條件。因此，承受高浪涌電流的能力是考察模塊可用性的一個(gè)重要標準?？赏ㄟ^(guò)優(yōu)化垂直設計降低 VF 并且運用 HDR 概念，獲得足夠的抗浪涌電流能力。一個(gè) IC =1200A 的模塊，典型的 IFSM 值可達到 10kA 左右，相當于 125°C 下 I2t 等于 500 kA2s，150℃下 I2t 等于大約 500 kA2s。

6)宇宙輻射的魯棒性

4.5kV IGBT 和發(fā)射極控制二極管的設計決定了它們相對宇宙輻射具有較強的魯棒性。垂直器件結構在典型的直流母線(xiàn)電壓下表現出低電場(chǎng)強度。已測明 FZ1200R45HL3 模塊在 ~3kV 直流母線(xiàn)電壓下的典型失效率 (FIT)，即 109 小時(shí)運行時(shí)間內的失效數為 100 FIT。除了阻斷直流母線(xiàn)電壓期間的穩定狀態(tài)以外，開(kāi)關(guān)運行下的宇宙輻射魯棒性也被考慮到了。模擬實(shí)驗證實(shí)，dV/dt≤ 2kV/μs 情況下的額外動(dòng)態(tài) FIT 率可以忽略不計，因為器件內部電場(chǎng)有限。

總結

新近推出的 4.5KV 溝槽場(chǎng)截止 IGBT 和發(fā)射極控制 EC 二極管專(zhuān)為工業(yè)應用而設計，采用 IHV-B 封裝者尤其適合用于高壓直流應用場(chǎng)合。該 IGBT 和二極管具備非常低的通態(tài)電壓和快速開(kāi)啟 IGBT 開(kāi)關(guān)的行為，尤其適合在超出標準的條件下的高電壓大電流環(huán)境下使用。同時(shí)，FZ1200R45HL3 模塊還顯示出了優(yōu)秀的短路性能。此外，過(guò)流關(guān)斷試驗也證明了 IGBT 和二極管出色的魯棒性。新器件的最高設計工作溫度為 150℃。這些功能都是通過(guò)運用 HDR 技術(shù)調整溝槽單元設計以及 6.5kV IGBT 的垂直結構來(lái)實(shí)現的。