引 言

在風(fēng)力發(fā)電、高壓直流輸電系統(tǒng)和工業(yè)傳動(dòng)等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，為了滿足用戶對(duì)更高可靠性、功率密度增加和穩(wěn)定性的要求，大電流功率模塊成為了新的發(fā)展趨勢(shì)。伴隨著功率密度的提升，所引起的開關(guān)損耗等問題會(huì)導(dǎo)致 IGBT 器件過熱，工作壽命縮短甚至失效。基于此，英飛凌結(jié)合創(chuàng)新的IGBT5芯片和.XT 技術(shù)，設(shè)計(jì)出新一代PrimePACK? 功率模塊。本文將介紹IGBT5的產(chǎn)品基本特點(diǎn)以及相關(guān)的導(dǎo)通和開關(guān)電氣特性。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際客戶應(yīng)用需求，進(jìn)行系統(tǒng)功率測(cè)試突顯新一代產(chǎn)品帶來的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值，并推薦新能源應(yīng)用中的基本系統(tǒng)方案。

IGBT5介紹

IGBT5 芯片采用溝槽柵-場(chǎng)終止（Trench-FieldStop）技術(shù)，最高工作結(jié)溫Tvj.op達(dá)到175 ℃，芯片厚度比IGBT4減少10um，單芯片IGBT5額定電流可以達(dá)到300A，搭載IGBT5的PrimePACK? 3+ 模塊采用雙交流母排端子結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)的PrimePACK?模塊額外增加了一個(gè)交流功率端子，降低了電流在輸出端子部分的發(fā)熱量的同時(shí)增加了模塊電流密度。

新PrimePACK? 功率模塊有兩種典型的封裝形式，即PrimePACK? 2和PrimePACK? 3+。相比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)IHM 大功率模塊封裝，優(yōu)勢(shì)在于更低的雜散電感和接觸熱阻，更高的工作結(jié)溫。在1200V和1700V條件下完全滿足污染等級(jí)3條件下的電氣間隙和爬電距離要求，模塊載流能力強(qiáng)且機(jī)械強(qiáng)度和抗振性能良好。在保持輸出電流不變的情況下，模塊壽命延長(zhǎng)十倍，應(yīng)用系統(tǒng)的輸出功率提高30%。此外，保持輸出功率不變的情況下可以降低冷卻要求。PrimePACK? 3+封裝外形尺寸與前一代的PrimePACK? 3基本相同，多個(gè)模塊可以并排，容易實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)功率輸出。

圖1（a）所示為新PrimePACK? 3+模塊，內(nèi)部由6個(gè)DCB并聯(lián)組成，內(nèi)部等效雜散電感約為10nH。模塊半橋拓?fù)浞庋b的電流等級(jí)擴(kuò)充至1800A，相比IGBT4代模塊提升了28%。圖1（b）為由4個(gè)DCB并聯(lián)構(gòu)成的新PrimePACK? 2模塊，額定電流容量最高達(dá)到1200A，電流密度增長(zhǎng)33%。兩種封裝根據(jù)功率差異性可適用于不同系統(tǒng)中，充分發(fā)揮最優(yōu)的性能。

圖1（a） PrimePACK? 3+ IGBT5模塊

圖1（b） PrimePACK? 2 IGBT5模塊

電氣特性

因?yàn)椴捎昧烁〉男酒穸群蛢?yōu)化的芯片結(jié)構(gòu)，相比前一代芯片，IGBT5的導(dǎo)通壓降明顯降低。在相同的PrimePACK? 模塊封裝下對(duì)1700V IGBT5 P5和 IGBT4 P4進(jìn)行測(cè)試，比較在25℃以及兩款芯片各自最大允許工作結(jié)溫下的輸出特性曲線。從圖2中在Tvj.op=25℃時(shí)，相同的輸出電流，IGBT5 P5集電極與發(fā)射極電壓比IGBT4 P4更低；工作在最高結(jié)溫時(shí)，即使相差25℃，IGBT5 P5仍然具有更低的飽和壓降，充分證明了特性的改善。飽和壓降的降低，使芯片在輸出電流時(shí)承受的電壓越小，產(chǎn)生導(dǎo)通損耗減少。

圖2 1700V IGBT5-P5和 IGBT4-P4輸出特性曲線在25度以及最大允許工作結(jié)溫下比較

IGBT5要保證重復(fù)開關(guān)更高電流1800A，甚至RBSOA條件下需要安全關(guān)斷2倍電流，這對(duì)IGBT的關(guān)斷軟度提出了更高要求。IGBT5芯片關(guān)斷特性在IGBT4基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，關(guān)斷損耗進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)關(guān)斷軟度特性高，擁有更長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間和較低的電壓尖峰。圖3為FF1800R17IP5在2倍額定電流，即Ic,nom=3600A情況下的關(guān)斷波形。

圖32倍額定電流Ic,nom=3600A關(guān)斷波形

圖4是在Ic,nom=1800A條件下的關(guān)斷電壓尖峰隨門極電阻的變化情況。隨著關(guān)斷電阻增加，關(guān)斷損耗升高；在相同關(guān)斷電阻的條件下，升高結(jié)溫則會(huì)使關(guān)斷特性會(huì)變軟，電壓尖峰明顯降低。此外，值得一提的是電壓尖峰值在較小或較大關(guān)斷門極電阻情況下均較低。

圖4 Vcep與關(guān)斷電阻Rgoff關(guān)系

模塊應(yīng)用和方案

系統(tǒng)測(cè)試

為了分析和驗(yàn)證新一代PrimePACK?功率模塊總體性能，實(shí)驗(yàn)室采用ModSTACKTM HD演示平臺(tái)分別搭載測(cè)試對(duì)象FF1400R17IP4以及FF1800R17IP5（圖5）。該平臺(tái)是基于PrimePACK?模塊封裝進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用于逆變器驅(qū)動(dòng)及風(fēng)電電機(jī)側(cè)設(shè)計(jì)中。

圖5 兩款模塊的測(cè)試平臺(tái)

相關(guān)測(cè)試條件為Rgon=0.1?，Rgoff=0.68?，開關(guān)頻率f=2kHz。圖6所示同一平臺(tái)下交流電流輸出結(jié)果，可以看出，1800A模塊FF1800R17IP5對(duì)比1400A模塊FF1400R17IP4在結(jié)溫增加的同時(shí)，電流密度增長(zhǎng)了30%。在結(jié)溫發(fā)揮到極致的情況下，搭載IGBT5的功率模塊，電流密度甚至能增長(zhǎng)43.6%，RMS有效值達(dá)到1200A。

圖6 IGBT4與IGBT5在同一平臺(tái)下的測(cè)試結(jié)果

應(yīng)用方案

1.光伏電池板

PrimePACK?模塊在光伏應(yīng)用中模塊可支持對(duì)最新的1500V 太陽能電池板進(jìn)行設(shè)計(jì)（如圖7），使之具有良好的FIT率。采用帶3個(gè)PrimePACK? 2模塊的三電平NPC1逆變器結(jié)構(gòu)，功率密度進(jìn)一步增加30%。在無模塊并聯(lián)的情況下，單個(gè)逆變器輸出功率也能達(dá)到625kW，如此高的功率密度用在三電平的方案中充分體現(xiàn)了該模塊的性能優(yōu)勢(shì)。

圖7 PrimePACK? 模塊在PV板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2. 風(fēng)力發(fā)電

在海上風(fēng)電項(xiàng)目上，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向大型化發(fā)展并結(jié)合電網(wǎng)輸送電力給用戶。風(fēng)電變流器可以改善風(fēng)電系統(tǒng)的工作狀況，減少發(fā)電機(jī)損耗，提升風(fēng)能利用率。因此，用于變流器的設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體模塊至關(guān)重要。應(yīng)用IGBT5和.XT技術(shù)的新PrimePACK?模塊對(duì)比前一代產(chǎn)品已拓展應(yīng)用至3.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中及相關(guān)直驅(qū)產(chǎn)品中，如圖8，風(fēng)柜數(shù)量由6個(gè)減少至4個(gè)，變流器尺寸縮小，有利于減少風(fēng)電系統(tǒng)的損耗。新模塊另整個(gè)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔，高效地將發(fā)電機(jī)的變頻輸出轉(zhuǎn)換為適合相應(yīng)地區(qū)電網(wǎng)的固定頻率。

圖8 風(fēng)電變流器比較

結(jié) 語

為了適應(yīng)更大電流，更高規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)，本文主要介紹了IGBT5和創(chuàng)新.XT技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。IGBT5在導(dǎo)通損耗以及電氣特性方面的性能提升, 不僅降低了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗，在工作結(jié)溫升高的同時(shí)使芯片功率密度和效率得以改善。而.XT模塊工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了耐高溫和大電流的封裝，并通過增強(qiáng)散熱設(shè)計(jì)提高了功率循環(huán)周次，能延長(zhǎng)系統(tǒng)的壽命，同時(shí)降低了電磁干擾的影響。將搭載IGBT5和.XT技術(shù)的全新PrimePACK? 模塊應(yīng)用在1500V光伏系統(tǒng)中，單個(gè)逆變器輸出功率可達(dá)625kW；應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電中，可以將3MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組擴(kuò)展至3.5MW。