摘要:醫療儀器、焊機和等離子切割機用電源的市場在不斷擴大,這些設備工作在20~50kHz或更高的高頻范圍。本文講述了近來開發的、用于這一高頻領域的IGBT模塊的設計理念。由于在這些應用中工作頻段為高頻范圍,因此器件的開關損耗(開通、關斷以及反向恢復損耗)是主要的功耗。通過降低背P+層載流子密度(應理解為摻雜濃度——譯者注),減小IGBT芯片中元胞的重復步距,并優化IGBT/FWD通態電壓與開關損耗之間的折衷關系,可以得到更低的開關損耗。因而,這種新開發的IGBT模塊的總功耗比標準IGBT模塊(第5代系列)降低了25%。使用這種模塊,能進一步提高效率、實現系統的小型化。
1引言
如今節能的重要性日益顯著,將IGBT模塊用作開關器件的應用領域也不斷拓展。為提高電能變換器的效率,研究者提出了很多新型拓撲電路,因而市場上對IGBT模塊的需求也隨之不斷攀升。另一方面,由于IGBT的性能已經接近“硅限”,所以需要一種面向應用的IGBT模塊設計。就是說,我們要專門為這些電路和應用而優化IGBT的特性。
我們開發了一種適合高頻開關應用(如焊機、感應加熱和醫療儀器用電源)的新型高速模塊。為實現系統的高效率和小型化,這些應用的開關頻率設定在20~50kHz [2] [3]。而在典型情況下,標準IGBT模塊的優化,所針對的載波頻率卻是10kHz或更低。通常,在IGBT/FWD芯片的通態壓降和開關損耗之間有一個折衷關系。高速模塊在進行性能折衷時,是讓通態電壓偏大,以換取偏低的開關功耗,從而能在高頻應用中實現最低的總功耗。
本文介紹了新開發的IGBT模塊的設計理念。由于開關頻率范圍是20~50kHz或更高,因此在這些應用中開關損耗(開通、關斷以及反向恢復損耗)是主要的功耗。
2高開關頻率應用電路
焊機和感應加熱的典型電路圖如圖1所示。該電路由功率因數校正斬波器和半橋直流-直流變換器構成。在這個電路中,半橋電路采用了一個二合一模塊,功因校正電路采用了一個斬波器模塊。其中,半橋電路要工作在高頻,以降低輸出紋波電流。
圖1 焊機電路圖
圖2 半橋直流-直流整流器中的IGBT電流和VCE波形
圖2給出了半橋變換器中IGBT模塊的電流和電壓波形。其中,T是開關工作的周期,TF是FWD的續流時間。這個續流時間很短,因為它是由變壓器漏感引起的。此外,當IGBT開通時,IGBT的VCE已經變為零,所以半橋中的開通損耗小至可以忽略(零電壓開關)。因此,在這個電路中,我們只對IGBT芯片提出低功耗要求。至于FWD,使用一個電流容量較小、具有標準開關速度的器件就足夠了。
3高速IGBT模塊的設計
我們為此研發了一種適用于高頻領域的新型IGBT模塊。本節將介紹其IGBT/FWD芯片的設計理念及其低熱阻封裝。
3.1 高速IGBT芯片的設計
在IGBT的開發中,我們非常關注通態電壓(VCE(sat))和關斷損耗(Eoff)之間的折衷,如圖3所示。在高于20kHz的高頻開關應用中,由于開關損耗在模塊的總功耗中份額已經占優,所以降低開關損耗就變得非常重要。為了使20~50kHz開關頻率下的總功耗降到最低,我們在設計IGBT芯片時將其性能設定在折衷曲線中VCE(sat) 偏高、Eoff偏低的位置上。
圖3 IGBT的折中特性
為降低開關損耗,我們采用了兩項技術:
(1)降低背面P+層的載流子密度(應理解為摻雜濃度,下同——譯者注);
(2)減小元胞的重復步距。
圖4給出了IGBT關斷過程中簡化的IC和Vce波形圖。通過優化載流子密度,可以更容易地抽取殘余的過剩載流子。載流子密度的降低減小了拖尾電流,并且使IGBT的電流下降得更快,這樣就減小了IGBT電流下降過程中的關斷損耗。然而,如圖3所示,隨著關斷損耗的減小,通態電壓VCE(sat)會增大。此外,通過優化反向傳輸電容(Cres)和輸入電容(Cies)的比率,可以縮短Vce的上升時間,從而減小了Vce上升過程中的關斷損耗。采用上述兩種改進措施使總關斷損耗大為減小。圖6比較了標準IGBT模塊和新開發的高速IGBT模塊的關斷波形。后者的拖尾電流幾乎減為零,并且Vce上升時間變短。表1給出了標準模塊(富士第五代U4系列模塊)與新開發的高速IGBT模塊的通態電壓和開關損耗的比較。高速IGBT芯片的關斷損耗幾乎降至標準模塊的一半,但VCE(sat)則從2.1V增至4.0V。
圖4 關斷波形的改進
圖5 高速IGBT芯片的橫截面圖
圖6 關斷波形的比較(200A/1200V模塊)IC=200A, Vdc=600V