英飛凌1200V IGBT4—性能優(yōu)化的新一代功率半導(dǎo)體器件
隨著新型高效逆變器應(yīng)用的市場(chǎng)日益增長，需要有一些專門優(yōu)化的功率半導(dǎo)體出現(xiàn)。為此，英飛凌公司推出了新一代結(jié)合改進(jìn)型射極控制二極管的1200V IGBT4系列產(chǎn)品，分別為針對(duì)低功率、中等功率和高功率IGBT模塊提供了三款優(yōu)化的芯片。這些IGBT模塊是為滿足各種不同應(yīng)用所需的現(xiàn)代逆變器概念設(shè)計(jì)的。
這三款優(yōu)化的芯片是：Inom=10-300A，具備快速開關(guān)性能，可用于低功率模塊的IGBT4-T4；Inom=150-1000A具備較好的開關(guān)性能和導(dǎo)通特性，可用于中等功率模塊的IGBT4-E4； Inom>900A，具備軟化開關(guān)性能，可用于高功率模塊的IGBT4-P4。本文主要介紹低功率和中功率版本的芯片。
衡量新一代芯片開發(fā)是否成功的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)然是看其能否達(dá)到較低的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗。但I(xiàn)GBT4技術(shù)還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，它將芯片的最高允許工作溫度提高了25℃，達(dá)到Tvjop=150℃。表1對(duì)比了新型IGBT4和其上一代IGBT3的電性能。
表1：英飛凌IGBT3和 IGBT4的比較。
新一代1200V IGBT4功率半導(dǎo)體的最高工作溫度可達(dá)Tvjop=150℃，而上一代IGBT3的工作溫度最高只能到125℃。150℃的最高工作溫度是由英飛凌在其第三代600V功率半導(dǎo)體中首次實(shí)現(xiàn)的。允許器件達(dá)到這一更高的工作溫度，就有可能允許器件在同樣的散熱條件下通過全溫操作達(dá)到更高的輸出功率。
此外，從圖1也可以看出，組裝技術(shù)的優(yōu)化也對(duì)功率循環(huán)(powercycling)有顯著改善。這就確保產(chǎn)品至少能達(dá)到同樣的功率循環(huán)預(yù)期壽命，同時(shí)由于提高工作溫度而達(dá)到更高的輸出電流，或者用戶可以選擇保持輸出功率，但延長產(chǎn)品的使用壽命。
圖1： 1200V標(biāo)準(zhǔn)模塊的功率循環(huán)可靠度與ton≈ 1s、I≈Inom下采用IGBT4技術(shù)的EconoPACK模塊的典型使用壽命圖。
IGBT的性能
然而，僅僅降低損耗還不夠，器件本身的開關(guān)特性也是一個(gè)很重要的因素。
由于IGBT3系列的軟化度(softness)已經(jīng)足以滿足幾乎所有低功率和中等功率應(yīng)用，所以IGBT4開發(fā)的另一個(gè)目標(biāo)就是使其軟化度可以與相應(yīng)的IGBT3系列產(chǎn)品相媲美。
圖2給出了開關(guān)損耗與外部閘電阻的函數(shù)關(guān)系。其中，關(guān)斷損耗在很寬的閘電阻范圍內(nèi)都與Rg無關(guān)，這是由IGBT的固有開關(guān)造成的。
圖2：關(guān)斷損耗與閘電阻的關(guān)系(Tvj=125℃, Vce=600V, Ic=300A, L=30nH)。
雜散電感與電流梯度一起影響導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的電壓特性：dv=L*di/dt，因此如果L更大，關(guān)斷時(shí)的過壓就會(huì)更大，從而導(dǎo)致如表2所示的更大損耗。
表2：Tj=125℃下 300A/600V中等功率IGBT4-E4 的損耗與雜散電感的關(guān)系。
不僅關(guān)斷損耗，IGBT的軟化度也對(duì)閘電阻相當(dāng)敏感。在標(biāo)稱電流條件下對(duì)開關(guān)性能進(jìn)行比較，它是DC母線電壓(link voltage)的函數(shù)，如圖3和圖4所示。
