安防之家讯：最近几年，分立的IGBT已在不同的领域广泛应用，诸如传动用逆变器、电感性加热、焊接、太阳能发电用逆变器和UPS。这些应用装置在某些方面仍有本质上的不同要求，需要应用优化的专用器件。
本文阐述第三代1200V高速器件（“HS3”产品系列），它是专为焊接，太阳能发电逆变器和UPS等高频应用设计的。这些应用的典型工作频率范围是20K--40KHz，要求开关损耗低于典型的传动应用的损耗，后者在10KHZ甚至在更低范围中应用。但是，饱和电压VCE，sat在整个损耗中仍起重要的作用，为此要找到开关损耗和传导损耗之间良好的平衡。文中提供了新产品的特性并和市场上的其他产品系列做了比较。这些新产品的效益在特定装置的应用中获得了验证。
1 引言
电能的高效利用是电力电子获得迅速发展的主要推动力之一。IGBT技术为这些应用提供优化的专用器件来支持这种趋势[1]-[3]。虽然IGBT当前的主要市场仍属电力传动部分，但最近几年，其他应用领域，诸如UPS（不中断电源），光伏逆变器也取得了显著的市场份额。对各种应用——从大功率传动用的逆变器到独特的烹调电器用的电线插孔（cookinghubs）——都是将它用作功率开关。其中大多数是以DC/AC变换方式来应用，但仍有不同特性的要求。例如，电力传动逆变器要求器件具有较强的坚韧性，包括应付负载短路电流等失效模式的能力。而用于UPS或太阳能逆变器，则侧重于效率和输出信号的质量。这样，后者在较高频率下驱动时可减轻滤波器工作。当然，电力传动也一样要求高效率，因为要小型化就要求严格限制系统的总损耗。本文介绍的新一代1200V高速（HighSpeed）IGBT3（简称：HS3-系列）是针对UPS，太阳能逆变器和焊接等装置应用专门开发的。它侧重于提高效率和用于高于20KHz的高频开关，以及具有更好的抗电磁干扰性能与软开关特性。
下文首先阐述IGBT和二极管的特点，再阐述所选应用条件的优点。
2 HS3产品特性
2.1 技术概述：IGBT
HS3-IGBT产品系列是在已定型的TrenchStop2产品系列相同技术基础上的延伸。针对前几个技术发展阶段和电压等级（见图1），英飞凌技术公司用现代薄片技术将沟槽（Trench）MOS单元结合场截止（Stop）理念进行优化。为了优化性能，这种理念允许对IGBT收集极特性进行技术调制。这种方法的好处本身表明，尤其在耐短路电流和脉冲电流的坚韧性方面是优越的，软开关特性也一样优越。不过，TrenchStop2系列的目标是提高低、中频直到20KHz的逆变器的效率，而HS3系列则为高频运作优化发射极。
众所周知，对给定的IGBT技术基础（用单元布局和垂直设计为表征），在器件的漂移区采用等离子体技术调制可得到不同的器件特性。调整IGBT器件中固有的PNP晶体管的增益，可找到传导损耗和开关损耗之间的关系或不同的折衷点。通常，以关断损耗Eoff作为传导损耗（以额定电流下的饱和电压VCE，sat表示）的函数关系作图来说明。图2示出HS3系列的优化效果，作为参考也列出以前各代器件的折衷点。
HS3产品和TrenchStop2产品相比，关断损耗减小了40%，而饱和电压VCE，sat却被提高了400mV。但是，和以前的快开关IGBT相比,HS3产品的Eoff减小了15%，同时减小的传导损耗（VCE，sat）大于1V。
下文讨论新产品提供高于20KHz高频应用的新基准性能。
图1 IGBT各代的变革 （把图中的英文换成下面相应的中文）
PunchThrouthNonPunchThroughTrench+Field-Stop
穿通非穿通沟槽+电场截止
优点优点
*背面注入发射极*背面注入发射极
*更好调整*能注入电场截止区
薄基区
性能性能
*低开关损耗*低VCEsat
*较高的开关坚韧性*低开关损耗
*较高的开关坚韧性
图2 HS3（HighSpeed3）系列和以前各代产品的导通损耗和关断损耗的折衷图
HS3的另一个收效是它还具有平滑的开关特性，没有干扰瞬变或高压尖峰。图3示出了HS3系列的IKW40N120H3和TrenchStop2系列的IKW40N20T2开关曲线比较。HS3器件表明具有很陡的电压和电流斜率，但仍能保持平滑的转换到零电流而没有过剩的拖尾电流。
图3 IKW40N120H3和IKW40N120T2在额定电流下开关曲线的比较。总线电压是800V，器件温度是175℃
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2.2 技术概述：二极管
当需要IGBT并联续流二极管应用时，将HS3-IGBT与2007年引入的发射极控制二极管的第4代结构组合[4]。它提供极佳的传导损耗，同时由于优化了垂直设计使IGBT的导通损耗减至最小。
为进一步改进，对特定应用的分析表明，这些逆变器中的能量流动是单向的。从热学观点来讲，桥式逆变器中续流二极管产生最大应力的条件是在驱动起动或“制动”时，用-cosφ来表征。在这种负载情况下，二极管损耗的主要部分可以认定为传导损耗。当起动不算在应用范围时，二极管的热应力状态不严重，此时损耗的主要部分是开关损耗。对高频应用，它提供了新的优化机遇。
应当指出，二极管的损耗由漂移区中过剩载流子传导的等离子体来决定。一方面，由于其高载流子密度才能保证低的传导损耗，但另一方面要二极管维持电压又必须从器件中将其抽走。而其电量（可用转换时反向恢复电荷Qrr来表示）的增加线性地小于电流密度的增加。因此，如果对给定的电流，采用较小面积的二极管使其在高电流密度下驱动的话，二极管的开关损耗和二极管引起IGBT导通损耗会减小。当然，要记住，二极管的传导损耗会随电流密度的增加而增加。
在HS3产品系列中，所用二极管的尺寸小于Tenchstop2系列，以此来改善高频性能。图4直观地示出IKW40N120H3（为单向能流优化的二极管）和IKW40N120T20（适于起动模式）二极管参数的比较。
图4 将IKW40N120H3和IKW40N120T2置于双封装产品中的二极管，如对IKW40N120H3导通损耗的影响一样，比较了两者二极管的静态和动态特性。
为提高系统效率而选择二极管获得的效益将在下面应用部分讨论。必须指出，增加二极管电流密度的理念只可能用第4代发射极控制二极管的优良坚韧度来实现。而由于不同的IGBT/二极管的面积比，较高的电流密度和较快的开关时间会增加动态应力。对二极管应力最好的量度是用二极管换向时产生的最大瞬态功耗Pdmax来表示。图5针对IKW40N120H3示出了第4代发射极控制二极管的特征性能。为得到这样的应力电平，需要附加条件：IGBT开关要维持在25°C，而二极管要加热到它的最高结温。但在高端-低端器件上，具有类似负载和损耗的实际应用中，开关和二极管的温度非常接近。因为两者在实验中有相同的冷却条件和共同的引线框架。为进一步提高IGBT开关速度，必须在非常低的栅电阻和超过最大定额的高栅压来驱动。在典型应用条件（Ugate=15V，额定电流下）栅压超过定额至少4成都未发现有破坏现象产生。
图5 二极管应力用峰值功耗Pdmax来度量。甚至在超过规格限度的条件下也未达到破坏区域。
2.3 产品系列
HSp3产品系列分为3个电流档次，都用TO247工业标准封装。所有的电流档次都有单个IGBT和同封装优化的二极管。其中25A电流档的主要参数与Trenchstop2、FastIGBT产品系列的比较示于图6。HSp3系列提供了高频相关电参数的重要改进。
图6 HS3系列产品的IKW25N120H3与以前各档次产品IKW25N120T2、SKW25N120的静态和动态参数的比较。所有动态数据是在总线电压600V，栅电阻22.3Ω（IKW25N120H3的额定值）时给出。
3 应用研究
3.1 具有正弦电流输出的逆变器
在许多应用中，电力电子系统的主要功能是将DC总线电压转换为正弦AC信号。在UPS应用的功能是，当断电时，其输出信号将立刻仿真和取代外电网。对太阳能发电系统，则是将光伏板面上产生的直流电转换为和电网特征相匹配的2相-3相交流信号，并把产生的电力高效地输入到电网中。
广泛使用的拓扑是具有不同数量支路的桥式结构，其中的开关是用预期高于输出频率的恒定频率下驱动的，所要求的波形用脉宽调制（PWM）法产生。
显然，整个逆变器的效率是设计的依据，因为它决定UPS的中间转换能力和太阳能发电的有效功率输出。有源元件（功率开关）和无源元件（磁元件）都会产生损耗。对于有源元件，由IGBT和二极管组成的单个开关产生的损耗很容易从组成的功率器件的静态和动态特性计算出来[5]，[6]。
计算损耗的一个重要参数是负载特征，即产生输出信号的功率因数，用其电压和电流之间的相角φ的COS函数表示。
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