上回書英飛凌晶片簡史說到,IGBT自面世以來,歷經數代技術更迭,具有代表性的技術包括平面柵+NPT結構的IGBT2、溝槽柵+場截止結構的IGBT3和IGBT4,以及表面覆銅及銅綁定線的IGBT5等。現今,英飛凌IGBT晶片的「當家掌門」已由IGBT7接任。IGBT7採用了微溝槽(micro pattern trench)技術,溝道密度更高,元胞間距也經過精心設計,並且優化了寄生電容參數,從而實現極低的導通壓降和優化的開關性能。
IGBT7自2019年問世以來,從最初推出的T7,到如今成為擁有S7,H7,T7,E7,P7等完整系列的大家族。這幾大系列之間,究竟有何區別?它們各自的適用領域又都在哪裡?今天這篇文章就帶大家一起來解析一下。
首先,在英飛凌已經商業化的IGBT7產品中,不同的IGBT7系列分布於不同的電壓等級中:
■ 650V:T7,H7
■ 1200V:S7、H7、T7、E7、P7
■ 1700V:E7,P7
■ 2300V:E7
在同一電壓等級中,以1200V為例,我們可以按照開關速度進行排序,H7>S7>T7>E7>P7
■ H7是高速晶片面向開關頻率較高的光伏、充電樁等應用,Vcesat1.7V
■ S7 是一款快速的晶片。,能夠實現導通損耗與開關速度的最佳平衡,Vcesat1.65V
■ T7晶片小功率單管和模組主要針對電機驅動應用,使用於Easy、Econo等封裝。cesat1.55V
■ E7是為中功率模組產品開發的晶片。導通壓降1.5V,用於EconoDUAL™、62mm等封裝中;
■ P7芯片是為大功率模組產品開發的。導通壓降為1.27V,用於PrimPACK™模組中。
接下來,我們將從單管和模組這兩個系列,從實用的角度來說明各類產品的特性。
單管系列T7,PR7,S7,H7解析
根據短路能力,IGBT7分為具有短路能力的650V T7和1200V S7,這兩者適用於開關頻率要求不太高,但可能有短路工況的應用,例如馬達驅動。沒有短路能力的IGBT7則有650V H7和1200V H7,進一步降低了飽和壓降和開關損耗,適用於光伏、能源儲存系統(ESS)、電動車充電(EVC)等對開關頻率和效率要求較高的場合。
650V T7單管和1200V S7單管產品目錄如下,主要針對電機驅動類應用,在導通損耗較低的同時,也能保持較快的開關速度,並且具備短路能力,是各方面性能非常均衡的晶片系列。
650V T7單管和1200V S7單管產品目錄如下,主要針對電機驅動類應用,在導通損耗較低的同時,也能保持較快的開關速度,並且具備短路能力,是各方面性能非常均衡的晶片系列。
單管H7系列產品目錄:
H7晶片雖然不具備短路時間,但可以說是將開關性能發揮到了極致。與廣受好評的TRENCHSTOP™5晶片相比,H7的電壓範圍拓展到了1200V,而TRENCHSTOP™5僅有650V的產品。H7的飽和導通電壓Vcesat比 H5 降低達 25%,比 S5 也低了 3%。在開關損耗方面,H7 的 E在相較於H5降低了77%,相較於S5降低了54%;而H7的E關閉相較於H5降低了20%,相較於S5降低了27%。所以總體來說,H7整體的開關損耗(E在+E關閉),還是要比 H5 和 S5 更低。
(參考閱讀《碼住 | 最新IGBT7系列分立元件常見問題》)
模組系列H7、T7、E7、P7解析
H7晶片擴充了Easy系列在1000VDC系統中的產品組合,可以實現高開關頻率應用。
FS3L40R12W2H7P_B11 EasyPACK™ 2B,模組為三相NPC 2拓撲,1200V TRENCHSTOP™ IGBT7 H7晶片,適用於1100V光伏串列逆變器和ESS,模組採用PressFIT針腳,帶有NTC,並提供預塗導熱材料TIM版本。
F3L500R12W3H7_H11 EasyPACK™ 3B模組為單相NPC2拓撲,1200V TRENCHSTOP™ IGBT7 H7晶片,適用於1100V光伏串列逆變器應用,模組採用大電流引腳並內建NTC。
(參考閱讀:《新品 | Easy2B Easy3B 1200V IGBT7 H7高速晶片的T型三電平模組的先導產品》)
T7的模組主要是Easy和Econo,目標為電機驅動應用。T7作為最早推出的IGBT7系列,擁有非常全面的產品目錄,最大單晶片電流已達到200A,可以在Econo3的封裝中實現200A三相全橋的拓撲。
E7模組主要用於EconoDUAL™ 3和62mm這些中功率模組。採用IGBT7 E7晶片的62mm模組最大標稱電流達800A,實現了該封裝的最高功率密度。該系列模組的電流範圍從450A到800A,共有6個規格,主要應用場景包括兆瓦級集中式光伏逆變器及儲能、不間斷電源(UPS)、通用馬達驅動以及新興應用固態斷路器。
搭載1200V E7晶片的EconoDUAL™模組有1200V和1700V兩個電壓等級,最大標稱電流達到900A,適用於集中式光儲、CAV、風電等領域。其中900A模組除了標準封裝外,還推出了Wave封裝,在標準的銅底板上增加了波浪開關的帶狀鍵合線,用於直接液體冷卻,降低了在電動卡車、馬達驅動器和風力發電應用中的元件溫度和溫度波動。
用於液體冷卻的EconoDUAL™ 3 Wave的典型外觀
PrimePACK™封裝的1200V P7和2300V E7目前分別只有一款模組,FF2400RB12IP7和FF1800R23IE7。這兩個模組的設計目的是用於構建MW級的1500VDC逆變器,這兩個模組可以組成T字型三電平拓撲結構,其中FF1800R23IE7作為縱向開關,承擔1500V母線電壓,而FF2400RB12IP7採用共集電極拓撲設計,作為NPC2的橫向開關使用。一個FF2400RB12IP7搭配兩個FF1800R23IE7並聯模組的方式,最高可實現1.6MW的輸出功率(典型風冷條件)。
(參考閱讀《新品 | 基於TRENCHSTOP™ IGBT7 PrimePACK™ 的兆瓦級T型三電平橋臂模組》)
IGBT無論是單管還是模組,都需要通過多項可靠性測試以確保其長期使用的穩定性。與電性能相關的主要測試包括HTGB(高溫柵極反偏測試)、HTRB(高溫反偏測試)、H3HTRB(高溫高濕反偏測試)、HV-H3TRB(高壓高溫高濕反偏測試)等。
高溫高濕測試H3TRB的測試條件是溫度Ta=85℃,濕度RH=85%,VCE=80V,而HV-H3TRB在保持溫度和濕度雙85的條件下,將CE之間的偏置電壓從80V提高到了80%的額定電壓,例如1200V的元件,在測試HV-H3TRB時,CE之間施加的電壓為V壓力960V。測試電壓的大幅提升對於IGBT無疑是更嚴峻的考驗,而IGBT7通過優化設計,通過了1000小時的HV-H3TRB測試,展現出對高壓及潮濕環境的卓越適應能力。
IGBT7作為最先進IGBT技術的代表,從最初在電機驅動應用中初試身手,到現在在光伏、充電、儲能等領域全面開花,在長期的應用中展現出優異的性能和無窮的潛力,是電力電子系統邁向更高整合度、更高功率密度的重要推動力。未來IGBT7還會推出什麼樣的新系列?IGBT8還會遠嗎?我們拭目以待吧!
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