0 引言
在日益增長的變頻器市場，許多廠商提供性能和尺寸各異的變換器類型。這正是以低損耗和高開關頻率而著稱的新IGBT技術施展的舞臺。在62 mm(當前模塊的標準尺寸)模塊中使用新IGBT技術可使用戶不必改變其機械設計概念而獲益。
基于平臺技術的標準62 mm SEMITRANS誖模塊，由于針對IGBT和二極管采用了不同的半導體技術，因此適合于多種應用場合。采用標準尺寸模塊外殼這一事實意味著用戶有更多可供選擇的供應商。
新1 200 V系列模塊為我們展示了外殼和半導體之間的匹配是多么的完美，該系列產(chǎn)品基于英飛凌的IGBT4技術和賽米控穩(wěn)健可靠的新CAL4二極管。
1 半導體開關中的IGBT和二極管
在電力電子技術中半導體器件IGBT 和二極管僅作為開關，“理想的開關”必須滿足以下條件：
通態(tài)壓降Vd = 0，與當前導通電流無關;
反向電流Ir = 0，在最大允許反向電壓以下;
開關損耗Psw = 0，與當前被切換的電流和直流母線電壓無關;
熱阻Rth無足輕重，因為沒有損耗產(chǎn)生。
然而，在實際的開關中，存在大量的正向壓降和開關損耗，因而設計中的熱阻處理技術對模塊性能來說是至關重要的。本文討論了IGBT2、IGBT3 以及EMITRANS誖模塊采用的新IGBT4 半導體技術之間的區(qū)別，并展示了在某些情況下新IGBT4技術所帶來的性能提升。
2 芯片技術的進展
圖1(a)顯示了基于英飛凌溝槽柵場截止(FS)IGBT4 技術和賽米控CAL4 續(xù)流二極管的新一代芯片的基本結構。
IGBT4基本上是基于已知的IGBT3 溝槽柵結構并結合經(jīng)優(yōu)化的包含n-襯底、n-場截止層和后端發(fā)射極的縱向結構。與第三代IGBT相比，這將使總損耗更低，開關行為更為輕柔，同時芯片的面積也更小。此外，pn 結的最高結溫Tjmax 從150益升高至175益。這將在靜態(tài)和動態(tài)過載情況下建立一個新的安全裕度。IGBT4系列產(chǎn)品的特點是有一個為高、中、低功率應用而優(yōu)化的縱向結構;開關性能和損耗適用于給定的功率等級。這里所展示的結果集中在中等功率范圍(50~600 A)的應用，采用的是低電感模塊，開關速率在4~12 kHz之間(這相當于IGBT4L)。
當在更高電流密度情況下使用新一代IGBT，具有高電流密度的續(xù)流二極管也是需要的，尤其是對《變頻技術應用》2008年第3期那些具有最大芯片封裝密度的模塊?；谶@個原因，在現(xiàn)有CAL(可控軸向長壽命)二極管技術的基礎上開發(fā)了新的CAL4 續(xù)流二極管，其特點在于對任何電流密度的軟開關性能，耐用度(高di/dt)好以及低反向恢復峰值電流和關斷損耗。CAL4 FWD的基本結構只是背面帶有n/n+結構的薄n-襯底，如圖1(b)所示。為了減少產(chǎn)生的損耗，n緩沖層被優(yōu)化，采用較薄n+晶圓，使活動表面積增大(即小邊結構)，縱向載流子壽命被優(yōu)化。因此，新的，經(jīng)過改進的CAL4 二極管很出色，除了電流密度提高了30%，其正向電壓更低，切換損耗也與上一代相類似(CAL3，Tjop =常數(shù))。為增加pn結的最高結溫至175益，使用了新的邊緣端鈍化技術。受益于上述的優(yōu)化工作，CAL4FWD是第四代IGBT應用的完美匹配。
新一代芯片擴大了的溫度范圍———175益(Tjmax)在適當?shù)目煽啃栽囼炛羞M行了驗證，例如，柵應力，高溫反偏(HTRB)，高濕高溫反偏(THB)測試。
英飛凌的3 個主要IGBT 技術系列的最重要的專用參數(shù)如表1 所列，它們都為1 200 V SEMI原TRANS誖模塊所使用。
3 模塊外殼的要求
SEMITRANS誖模塊外殼的主要參數(shù)以及這些參數(shù)對最終產(chǎn)品性能所產(chǎn)生的影響的詳細信息如表2所列。
3.1 端子電阻
模塊的端子電阻對電路的工作效率的影響如圖2所示。在圖2所示的例子中，舉例的開關導通損耗比SEMITRANS誖高11%。這相當于一個每相絕對值約90 W，三相共270 W的功率變頻器。
3.2 熱阻
這一參數(shù)影響最大允許功率損耗，從而也影響模塊中IGBT和二極管的最大允許的集電極電流。下列因素對決定熱阻的大小至關重要：
芯片尺寸(面積);
模塊設計[焊接、陶瓷基板(DCB)、基板];
系統(tǒng)設計(導熱硅脂，散熱器)。
不考慮半導體的成本，其通常會占到模塊總成本的50%以上，外殼的選擇會對模塊的額定電流產(chǎn)生巨大的影響。文獻[2] 描述了確定熱阻的過程。
3.3 絕緣強度
用于焊接半導體芯片的陶瓷基板的厚度和類型，以及軟模的特性將在很大程度上影響SEMITRANS誖模塊的絕緣強度。
3.4 開關電感LCE及其實際效果
電感LCE對IGBT關斷時產(chǎn)生的過電壓來說是一個重要的參數(shù)
在實際中，高電感與關斷期間所產(chǎn)生的過電壓一樣，都是不利的。高電感意味著器件的最大反向電壓會很快達到，尤其在高直流母線電壓的情況下。例如，當在甩負荷或在功率回饋模式下。當使用低電感模塊時，可以實現(xiàn)高可靠性和最高效率。模塊電感對最大關斷電流的影響如圖3 所示，圖中顯示了SEMITRANS誖3和與其作對比的不同形狀封裝“C”之間的差異。由于模塊的電感小，SEMITRANS誖3在芯片的最大反向電壓達到之前可切換的電流值要比“C”高30%。受益于主端子加上用于DCB的對稱并聯(lián)設計，SEMITRANS誖模塊可實現(xiàn)低電感(請注
意，由于模塊電感，半導體芯片上實際產(chǎn)生的電壓永遠高于端子上產(chǎn)生的電壓)。
3.5 并聯(lián)時芯片的對稱電流分布
SEMITRANS誖模塊中，并聯(lián)的芯片(IGBT 和二極管)多達8個(見表2)。二極管并聯(lián)尤其具有挑戰(zhàn)性，因為Vf的負溫度系數(shù)會降低額定電流。為此，SEMIKRON開發(fā)了定制解決方案，滿足高功率應用(為靜態(tài)和動態(tài)功率分配進行了優(yōu)化)及高直流環(huán)母線電壓應用(在關斷時動態(tài)過電壓限制)。進一步信息可在文獻[1] 中找到。
3.6 多模塊的并聯(lián)
對于幾個模塊并聯(lián)的情況，功率降額必須盡可能低。此時，IGBT參數(shù)VCEsat的正溫度系數(shù)具有正面的影響。對于二極管的情況，可以采取3.5中描述的那些步驟。正如文獻[1] 中所定義的，SEMITRANS誖模塊中降額系數(shù)介于90%和95%之間。
4 展望未來
得益于采用了第四代溝槽柵IGBT和CAL 二極管的新1 200 V模塊，SEMITRANS誖IGBT模塊將能夠續(xù)寫其成功應用案例。與同功率等級的其它模塊相比，新系列模塊所帶來的性能提升不僅取決于采用了新一代的芯片，而且還取決于低的端電阻和相對較低的雜散電感。
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