新一代1700V IGBT7技術及其在電力電子系統中的應用優勢

原文發表於2022中國電力電子與能量轉換大會（CPEEC 2022）暨中國電源學會第二十五屆學術年會（CPSSC 2022）論文集


摘要

級聯型H橋（Cascaded H-bridge, CHB）拓撲結構簡單，擴展靈活，目前已經在中高壓級聯型變頻器（以下簡稱MVD）和靜止無功發生器（以下簡稱SVG）中獲得了廣泛應用，這兩種設備的功率單元拓撲圖如圖1所示。在工業應用中，電機作為風機、泵、壓縮機、皮帶機、提升機、破碎機和球磨機等各種機械設備的驅動裝置，其耗電量約占中國整個工業電耗的60%以上。採用MVD與生產工藝相結合，可以顯著的降低電機能耗。SVG主要應用於提升電網的輸電容量及穩定暫態電壓，也可實現輸配電網、風電和光伏、電弧爐/軋鋼機、礦山、石化、煤礦、港口等行業的功率因數控制、母線電壓閃變抑制及補償不平衡負荷、濾除負荷諧波電流，達到提高電能質量，節約用電的目的。

英飛凌的上一代1700V EconoDUAL™3 IGBT4包含225A、300A、450A和600A 4個電流等級，如圖2所示，通過每相採用單個模塊和兩個模塊並聯，基本可以覆蓋6kV-10kV MVD的中等功率範圍和一部分大功率範圍、10kV-35kV SVG的中等容量範圍。對於大功率MVD和大容量SVG，現有的1700V IGBT有兩種解決方案，一種是增加EconoDUAL™3模塊的並聯數量，比如採用600A模塊FF600R17ME4 3並聯或者4並聯。另一種是採用其他封裝的大電流IGBT模塊，比如1000A模塊FF1000R17IE4或者1400A模塊FF1400R17IP4，這樣既可以增加系統的容量，又可以減少模塊的並聯數量，略有不足之處是增加了模塊的封裝種類，功率單元需要根據模塊的結構重新調整，不利於產品的平台化設計。

為了進一步提升EconoDUAL™3模塊的性能，英飛凌開發了新一代的1700V IGBT7晶片和EC7二極體晶片，已經推出了750A FF750R17ME7D[2]和900A FF900R17ME7[3]兩款新產品，其電流密度分別比FF600R17ME4提升了25%和50%。其中900A是業內1700V EconoDUAL™3已量產產品的最大電流等級。FF750R17ME7D對二極體性能進行了增強，電流升級到了1200A，在負功率因數應用中，比如雙饋風力發電機電機側變流器[4]，它可以降低二極體的結溫波動，增加器件的功率循環壽命。

                                                                                                                                     圖1.MVD和SVG的功率單元拓撲圖

                                                                        圖2.EconoDUAL™3 IGBT模塊

                                                                                           表1.MVD和SVG功率單元的額定工況

IGBT7晶片技術首先應用於1200V的小功率IGBT，後來逐步擴展到1200V的中功率和大功率IGBT，其主要應用為電機控制類的變頻器，比如通用變頻器、伺服驅動器和電動汽車主驅逆變器。為了提升1700V IGBT模塊的電流密度，英飛凌專門開發了1700V的IGBT7晶片[4]，並首先應用於EconoDUAL™3封裝。IGBT7晶片技術採用了微溝槽（micro-pattern trench，簡稱MPT）結構，以解決晶片電流密度增加面臨的挑戰，MPT結構的簡化示意圖如圖4所示。將台面（mesa）的寬度降至亞微米級別，可以增加載流子限制，從而實現更低的飽和壓降。此外，通過調整柵極溝槽、發射極溝槽和有源溝槽的接觸方案，可以同時優化晶片的開關特性、開關損耗和門極電荷。1700V的二極體晶片EC7（emitter controlled，發射極控制）融合了1200V EC4和1700V EC5二極體的設計理念，旨在實現更高的電流密度和更優的性能折衷，並維持在不同應用條件下運行所需的魯棒性。

                    圖4.MPT單元，中心是有源溝道，左上是具有無源台面（mesa）的柵極溝槽，左下是發射極溝槽

圖5是FF600R17ME4，FF750R17ME7D和FF900R17ME7在25℃和150℃結溫的輸出特性曲線。由於IGBT7採用了微溝槽結構和載流子限制，它的飽和壓降顯著降低。以FF600R17ME4的標稱電流600A為基準，對比這三種器件在150℃的飽和壓降，FF600R17ME4為2.45V。FF750R17ME7D為1.81V，比FF600R17ME4低0.64V，大約26.1%。FF900R17ME7為1.65V，比FF600R17ME4低0.8V，大約32.6%。更公平合理的比較是基於器件各自的標稱電流，此時FF750R17ME7D和FF900R17ME7D的飽和壓降均為2.05V，比FF600R17ME4低0.4V,大約16.3%。因此，IGBT7可以明顯的降低IGBT的導通損耗。

                           圖5.IGBT4和IGBT7的導通特性曲線，圖表上方的數值為三種器件的Vce值，條件為：Ic=600A，Vge=+15V,Tvj=150℃

圖6是三種器件二極體的正向特性曲線，結溫分別為25℃和150℃。當電流為600A時，FF600R17ME4的正向壓降為1.95V。FF750R17ME7D為1.63V，比FF600R17ME4低0.32V，大約16.4%。FF900R17ME7為1.88V，比FF600R17ME4低0.07V，大約3.6%。因為FF750R17ME7D的二極體電流為1200A，所以它比FF900R17ME7的壓降更低。當基於器件各自的標稱電流時，FF750R17ME7D的正向壓降為1.8V，比FF600R17ME4低0.15V，大約7.7%。FF900R17ME7為2.2V，比FF600R17ME4高0.25V，大約12.8%。當電流大約超過300A時，FF600R17ME4二極體的壓降是正溫度係數，而FF750R17ME7D和FF900R17ME7二極體的壓降在全電流範圍均為負溫度係數。這樣設計的原因是為了優化EC7二極體的反向恢復特性，降低反向恢復損耗，同時也可以降低IGBT的開通損耗。在2-3kHz開關頻率的整流或者逆變應用中，由於IGBT的開關損耗和二極體的反向恢復損耗占比較高[4]，EC7二極體有助於降低器件的總損耗。與FF600R17ME4相比，即便FF750R17ME7D無法明顯降低二極體的導通損耗，甚至FF900R17ME7二極體的導通損耗還略微增加，但是FF750R17ME7D和FF900R17ME7的總損耗比FF600R17ME4明顯降低，詳見SVG應用仿真部分的分析。

                          圖6.EC4和EC7二極體的正向特性曲線，圖表上方的數值為三種器件的Vf值，條件為：Ic=600A，Tvj=150℃

通過優化EconoDUAL™3模塊設計，IGBT7增加了過載結溫定義，如圖7所示。IGBT7允許的過載結溫位於150℃和175℃之間，過載時間小於等於20%過載周期，比如當過載周期T=300秒時，過載持續時間t1不能超過60秒。此外，60秒也是過載持續時間的最大值，比如如果過載周期T=600秒，則t1仍然不能超過60秒。在通用變頻器、中高壓MVD和SVG等有一分鐘及以內過載工況的應用中，與IGBT4相比，IGBT7額外的25℃過載工作結溫可以提升器件額定工況對應的工作結溫，使過載結溫位於150℃到175℃之間，從而增加器件的輸出能力和系統的功率密度。

                                                                圖7.IGBT7和IGBT4允許的工作結溫，IGBT7過載結溫最高175℃，IGBT4最高結溫150℃

模塊的輸出電流會在交直流功率端子上產生與電流呈平方關係的歐姆損耗，這些損耗一部分通過模塊內部的銅連接線傳導到DCB，然後通過模塊基板傳遞到散熱器。另一部分損耗傳遞到與功率端子連接的外部銅排，最終功率端子會達到熱平衡。如果EconoDUAL™3模塊輸出更大的電流，功率端子的溫升可能會成為系統設計的瓶頸。為此，EconoDUAL™3 IGBT7對模塊內部連接DCB和功率端子的結構設計進行了優化。如圖8所示，IGBT7增加了模塊內部功率端子側的銅片面積，以便於安裝更多的銅連接線，因而IGBT7比IGBT4的銅連接線數量增加了40%。熱測試對比表明，在相同工況（模塊輸出電流550Arms，IGBT開關頻率1000Hz）下，1200V EconoDUAL™3 IGBT7的直流端子溫度比IGBT4低大約20℃[5]。因為1700V EconoDUAL™3 IGBT7的封裝與1200V EconoDUAL™3 IGBT7相同，所以1200V的測試結果也適用於1700V IGBT7。

                                                                                     圖8.EconoDUAL™3交直流功率端子與內部DCB的連接圖，FF600R17ME4（左），FF900R17ME7（右）

模塊內部的綁定線、DCB上表面的覆銅層和晶片與DCB之間的焊接層共同組成了模塊內部的引線電阻，其等效值為RCC’+EE’，如圖9所示。C是IGBT集電極功率端子，C´是IGBT發射極輔助端子，E是IGBT發射極功率端子，E´是IGBT發射極輔助端子。EconoDUAL™3為半橋拓撲，包含兩個等效的IGBT和與其並聯的續流二極體。每個IGBT和續流二極體各包含一個RCC’+EE’。如表2所示，由於IGBT7優化了模塊內部設計，常溫下RCC’+EE’為0.8毫歐，比IGBT4的1.1毫歐降低了27.3%，因而可以較大的降低引線電阻的損耗，引線電阻的損耗計算方法可參考文獻6[6]。

                                                                                           圖9.EconoDUAL™3 IGBT功率端子和等效的內部引線電阻示意圖

                                                                                             表2.EconoDUAL™3 IGBT4和IGBT7的內部引線電阻

如上文分析，在MVD應用中，FF600R17ME4的IGBT導通損耗約占總損耗的56.5%（不包括引線電阻損耗）。因為FF750R17ME7D和FF900R17ME7的IGBT飽和壓降均比FF600R17ME4明顯降低，所以在相同結溫下，FF900R17ME7的輸出能力最高，FF600R17ME4最低，FF750R17ME7D介於二者之間。為了簡化分析，本部分的仿真主要對比FF900R17ME7和FF600R17ME4。仿真參數見表1，考慮風冷和水冷兩種冷卻工況，散熱器的熱阻（針對半個EconoDUAL™3模塊）分別為0.15K/W和0.05K/W。對於MVD的過載工況，雖然110%額定電流1分鐘過載在風機、水泵類負載中比較普遍，從更嚴苛的角度考慮，本文的過載工況定為120%額定電流1分鐘。

圖10為風冷MVD的輸出電流和IGBT最高結溫的仿真結果，包括額定工況和過載工況。結溫為150℃時，兩種器件的額定輸出電流分別為350A和442A。FF900R17ME7比FF600R17ME4高92A，大約26.3%。過載時，考慮FF900R17ME7具有1分鐘的過載結溫，當額定輸出仍為442A時，過載結溫大約為175℃，剛好充分利用了25℃過載結溫。為了使FF600R17ME4的過載結溫不超過150℃，其額定輸出電流需要降低到320A。所以，過載工況時FF900R17ME7的輸出比FF600R17ME4高122A，大約38.1%。

與風冷工況類似，圖11總結了水冷MVD的仿真結果。結溫為150℃時，FF600R17ME4的額定輸出電流為570A，FF900R17ME7為721A，比FF600R17ME4高151A，大約26.5%。過載工況時，兩種器件的輸出電流分別為480A和672A，FF900R17ME7比FF600R17ME4高192A，大約40%。仿真結果表明IGBT7額外的25℃過載結溫可以進一步提升FF900R17ME7相對於FF600R17ME4的輸出能力。

除了提升器件的輸出能力，IGBT7還可以降低器件的總損耗，增加系統的效率。如圖12所示，FF900R17ME7一個IGBT和反並聯續流二極體的總損耗為297W，比FF600R17ME4的402W低105W,大約26.1%。除了二極體的導通損耗有所增加，其他部分的損耗均有不同程度的降低，體現了IGBT7晶片和EconoDUAL™3封裝優化的價值。其中，IGBT的導通損耗降低了51W，IGBT開關損耗降低了26W，二極體開關損耗降低了11W，引線電阻損耗降低了20W。

                                                                                                      圖10.風冷MVD的輸出電流和IGBT最高結溫-額定和120%過載1分鐘

                                                                                                                                圖11.水冷MVD的輸出電流和IGBT最高結溫-額定和120%過載1分鐘

                                 圖12.風冷MVD中FF600R17ME4和FF900R17ME7的損耗（一個IGBT和一個續流二極體），輸出電流300A

根據表1中的SVG工作參數，採用與MVD相同的仿真方法、散熱器熱阻和過載工況，對三種器件進行了對比分析。

圖13為風冷SVG的仿真結果。結溫為150℃時，FF600R17ME4，FF750R17ME7D和FF900R17ME7的額定輸出電流分別為367A，427A和417A。FF750R17ME7D比FF600R17ME4高60A，大約16.3%。FF900R17ME7高50A，大約13.6%。120%過載1分鐘時，FF600R17ME4的輸出電流為325A。考慮IGBT7的過載結溫不能超過175℃，FF750R17ME7D輸出電流大約仍為427A，FF900R17ME7大約仍為417A。其分別比FF600R17ME4高102A和92A，大約31.4%和28.3%。

圖14為水冷SVG的仿真結果。結溫為150℃時，FF600R17ME4，FF750R17ME7D和FF900R17ME7的額定輸出電流分別為612A，715A和673A。FF750R17ME7D比FF600R17ME4高103A，大約16.8%。FF900R17ME7高61A，大約10%。FF600R17ME4 120%過載1分鐘的輸出電流為512A。FF750R17ME7D的輸出電流為675A，FF900R17ME7的輸出電流為645A。其分別比FF600R17ME4高163A和133A，大約31.8%和26%。分析結果表明，與FF600R17ME4相比，IGBT7 25℃的過載結溫為FF750R17ME7D和FF900R17ME7增加了大約15%的輸出能力。

如圖15所示，FF600R17ME4一個IGBT和續流二極體的總損耗為781W，FF750R17ME7D為608W，FF900R17ME7為607W，它們比FF600R17ME7低大約173W,大約為22.1%。FF750R17ME7D所有的損耗部分均比FF600R17ME4低。FF900R17ME7除了二極體的導通損耗比FF600R17ME4高5W，其它部分的損耗也均低於FF600R17ME4。這部分的分析結果再次驗證了上文介紹的IGBT7晶片和EconoDUAL™3封裝優化為SVG應用帶來的價值。

                                                                                                                          圖13.風冷SVG的輸出電流和二極體最高結溫-額定和120%過載1分鐘

                                                                                                                  圖14.水冷SVG的輸出電流和二極體最高結溫-額定和120%過載1分鐘

                       圖15.水冷SVG中FF600R17ME4，FF750R17ME7D和FF900R17ME7的損耗（一個IGBT和一個續流二極體），輸出電流500A