【導讀】EconoDUAL?3是一款經(jīng)典的IGBT模塊封裝，其上一代的1700V系列產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應用于級聯(lián)型中高壓變頻器、靜止無功發(fā)生器（SVG）和風電變流器，覆蓋了中功率和一部分大功率的應用場合。隨著芯片技術的發(fā)展和市場對高功率密度IGBT模塊的需求增加，英飛凌已經(jīng)基于最新的1700V IGBT7技術開發(fā)了新一代的EconoDUAL?3模塊，并率先推出了900A和750A兩款新產(chǎn)品。本文首先分析了上一代最大電流等級600A的產(chǎn)品FF600R17ME4[1]在MVD和SVG中的典型應用，然后介紹了1700V IGBT7的芯片特性和EconoDULA?3模塊的性能優(yōu)化。通過與FF600R17ME4對比，分析了900A和750A的產(chǎn)品優(yōu)勢。最后，針對級聯(lián)高壓變頻器和靜止無功發(fā)生器的應用場景，通過仿真對比，闡明了新一代IGBT產(chǎn)品在輸出能力和功率損耗等方面為系統(tǒng)帶來的價值。
級聯(lián)型H橋（Cascaded H-bridge, CHB）拓撲結構簡單，擴展靈活，目前已經(jīng)在中高壓級聯(lián)型變頻器（以下簡稱MVD）和靜止無功發(fā)生器（以下簡稱SVG）中獲得了廣泛應用，這兩種設備的功率單元拓撲圖如圖1所示。在工業(yè)應用中，電機作為風機、泵、壓縮機、皮帶機、提升機、破碎機和球磨機等各種機械設備的驅動裝置，其耗電量約占中國整個工業(yè)電耗的60%以上。采用MVD與生產(chǎn)工藝相結合，可以顯著的降低電機能耗。SVG主要應用于提升電網(wǎng)的輸電容量及穩(wěn)定暫態(tài)電壓，也可實現(xiàn)輸配電網(wǎng)、風電和光伏、電弧爐/軋鋼機、礦山、石化、煤礦、港口等行業(yè)的功率因數(shù)控制、母線電壓閃變抑制及補償不平衡負荷、濾除負荷諧波電流，達到提高電能質量，節(jié)約用電的目的。
英飛凌的上一代1700V EconoDUAL?3 IGBT4包含225A、300A、450A和600A 4個電流等級，如圖2所示，通過每相采用單個模塊和兩個模塊并聯(lián)，基本可以覆蓋6kV-10kV MVD的中等功率范圍和一部分大功率范圍、10kV-35kV SVG的中等容量范圍。對于大功率MVD和大容量SVG，現(xiàn)有的1700V IGBT有兩種解決方案，一種是增加EconoDUAL?3模塊的并聯(lián)數(shù)量，比如采用600A模塊FF600R17ME4 3并聯(lián)或者4并聯(lián)。另一種是采用其他封裝的大電流IGBT模塊，比如1000A模塊FF1000R17IE4或者1400A模塊FF1400R17IP4，這樣既可以增加系統(tǒng)的容量，又可以減少模塊的并聯(lián)數(shù)量，略有不足之處是增加了模塊的封裝種類，功率單元需要根據(jù)模塊的結構重新調整，不利于產(chǎn)品的平臺化設計。
為了進一步提升EconoDUAL?3模塊的性能，英飛凌開發(fā)了新一代的1700V IGBT7芯片和EC7二極管芯片，已經(jīng)推出了750A FF750R17ME7D[2]和900A FF900R17ME7[3]兩款新產(chǎn)品，其電流密度分別比FF600R17ME4提升了25%和50%。其中900A是業(yè)內1700V EconoDUAL?3已量產(chǎn)產(chǎn)品的最大電流等級。FF750R17ME7D對二極管性能進行了增強，電流升級到了1200A，在負功率因數(shù)應用中，比如雙饋風力發(fā)電機電機側變流器[4]，它可以降低二極管的結溫波動，增加器件的功率循環(huán)壽命。
圖1.MVD和SVG的功率單元拓撲圖
圖2.EconoDUAL?3 IGBT模塊
1 FF600R17ME4在MVD和SVG中的應用分析
在MVD和SVG應用中，IGBT的開關頻率比較低，所以IGBT的開關損耗在器件總損耗中的占比也比較低。下面以表1中MVD和SVG風冷功率單元的典型額定工作參數(shù)為例，用Plecs仿真軟件分析了FF600R17ME4的功率損耗和結溫，結果如圖3所示。MVD的功率因數(shù)接近1，IGBT的導通損耗和開關損耗之和遠高于二極管，所以IGBT的結溫最高，為122.3℃。此外，IGBT的導通損耗約占其總損耗（導通損耗+開關損耗）的73%。SVG的功率因數(shù)為0，二極管的導通損耗和IGBT的導通損耗接近，占各自總損耗的60%和72%。二極管的開關損耗比IGBT的低，所以二極管的總損耗比IGBT略低。由于二極管的結殼熱阻比IGBT高，所以二極管的結溫最高，為119.9℃。在MVD和SVG中，IGBT的導通損耗約占IGBT和二極管總損耗的56.5%和32.6%，所以采用具有更低飽和壓降的IGBT7可以降低器件的總損耗，提升器件的輸出能力。下文將進一步研究1700V IGBT7在MVD和SVG中的應用價值。對于MVD，主要對比FF600R17ME4和FF900R17ME7。對于SVG，分析FF600R17ME4，F(xiàn)F750R17ME7D和FF900R17ME7這三款產(chǎn)品。
圖3.FF600R17ME4的功率損耗和結溫-工作參數(shù)參考表1
表1.MVD和SVG功率單元的額定工況
2 1700V IGBT7 芯片技術
2.1 IGBT7芯片介紹
IGBT7芯片技術首先應用于1200V的小功率IGBT，后來逐步擴展到1200V的中功率和大功率IGBT，其主要應用為電機控制類的變頻器，比如通用變頻器、伺服驅動器和電動汽車主驅逆變器。為了提升1700V IGBT模塊的電流密度，英飛凌專門開發(fā)了1700V的IGBT7芯片[4]，并首先應用于EconoDUAL?3封裝。IGBT7芯片技術采用了微溝槽（micro-pattern trench，簡稱MPT）結構，以解決芯片電流密度增加面臨的挑戰(zhàn)，MPT結構的簡化示意圖如圖4所示。將臺面（mesa）的寬度降至亞微米級別，可以增加載流子限制，從而實現(xiàn)更低的飽和壓降。此外，通過調整柵極溝槽、發(fā)射極溝槽和有源溝槽的接觸方案，可以同時優(yōu)化芯片的開關特性、開關損耗和門極電荷。1700V的二極管芯片EC7（emitter controlled，發(fā)射極控制）融合了1200V EC4和1700V EC5二極管的設計理念，旨在實現(xiàn)更高的電流密度和更優(yōu)的性能折衷，并維持在不同應用條件下運行所需的魯棒性。
圖4.MPT單元，中心是有源溝道，左上是具有無源臺面（mesa）的柵極溝槽，左下是發(fā)射極溝槽
圖5是FF600R17ME4，F(xiàn)F750R17ME7D和FF900R17ME7在25℃和150℃結溫的輸出特性曲線。由于IGBT7采用了微溝槽結構和載流子限制，它的飽和壓降顯著降低。以FF600R17ME4的標稱電流600A為基準，對比這三種器件在150℃的飽和壓降，F(xiàn)F600R17ME4為2.45V。FF750R17ME7D為1.81V，比FF600R17ME4低0.64V，大約26.1%。FF900R17ME7為1.65V，比FF600R17ME4低0.8V，大約32.6%。更公平合理的比較是基于器件各自的標稱電流，此時FF750R17ME7D和FF900R17ME7D的飽和壓降均為2.05V，比FF600R17ME4低0.4V,大約16.3%。因此，IGBT7可以明顯的降低IGBT的導通損耗。
圖5.IGBT4和IGBT7的導通特性曲線，圖表上方的數(shù)值為三種器件的Vce值，條件為：Ic=600A，Vge=+15V,Tvj=150℃
圖6是三種器件二極管的正向特性曲線，結溫分別為25℃和150℃。當電流為600A時，F(xiàn)F600R17ME4的正向壓降為1.95V。FF750R17ME7D為1.63V，比FF600R17ME4低0.32V，大約16.4%。FF900R17ME7為1.88V，比FF600R17ME4低0.07V，大約3.6%。因為FF750R17ME7D的二極管電流為1200A，所以它比FF900R17ME7的壓降更低。當基于器件各自的標稱電流時，F(xiàn)F750R17ME7D的正向壓降為1.8V，比FF600R17ME4低0.15V，大約7.7%。FF900R17ME7為2.2V，比FF600R17ME4高0.25V，大約12.8%。當電流大約超過300A時，F(xiàn)F600R17ME4二極管的壓降是正溫度系數(shù)，而FF750R17ME7D和FF900R17ME7二極管的壓降在全電流范圍均為負溫度系數(shù)。這樣設計的原因是為了優(yōu)化EC7二極管的反向恢復特性，降低反向恢復損耗，同時也可以降低IGBT的開通損耗。在2-3kHz開關頻率的整流或者逆變應用中，由于IGBT的開關損耗和二極管的反向恢復損耗占比較高[4]，EC7二極管有助于降低器件的總損耗。與FF600R17ME4相比，即便FF750R17ME7D無法明顯降低二極管的導通損耗，甚至FF900R17ME7二極管的導通損耗還略微增加，但是FF750R17ME7D和FF900R17ME7的總損耗比FF600R17ME4明顯降低，詳見SVG應用仿真部分的分析。
圖6.EC4和EC7二極管的正向特性曲線，圖表上方的數(shù)值為三種器件的Vf值，條件為：Ic=600A，Tvj=150℃
3 IGBT7 EconoDUAL?3模塊的新特性
高電流密度的IGBT模塊除了需要高電流密度的芯片，還需要增強模塊設計，比如提升芯片的工作結溫、減小模塊內部引線電阻發(fā)熱和降低功率端子溫升，以應對系統(tǒng)高功率密度設計面臨的挑戰(zhàn)。
3.1 175℃過載工作結溫
通過優(yōu)化EconoDUAL?3模塊設計，IGBT7增加了過載結溫定義，如圖7所示。IGBT7允許的過載結溫位于150℃和175℃之間，過載時間小于等于20%過載周期，比如當過載周期T=300秒時，過載持續(xù)時間t1不能超過60秒。此外，60秒也是過載持續(xù)時間的最大值，比如如果過載周期T=600秒，則t1仍然不能超過60秒。在通用變頻器、中高壓MVD和SVG等有一分鐘及以內過載工況的應用中，與IGBT4相比，IGBT7額外的25℃過載工作結溫可以提升器件額定工況對應的工作結溫，使過載結溫位于150℃到175℃之間，從而增加器件的輸出能力和系統(tǒng)的功率密度。
圖7.IGBT7和IGBT4允許的工作結溫，IGBT7過載結溫最高175℃，IGBT4最高結溫150℃
3.2 提升交直流功率端子載流能力
模塊的輸出電流會在交直流功率端子上產(chǎn)生與電流呈平方關系的歐姆損耗，這些損耗一部分通過模塊內部的銅連接線傳導到DCB，然后通過模塊基板傳遞到散熱器。另一部分損耗傳遞到與功率端子連接的外部銅排，最終功率端子會達到熱平衡。如果EconoDUAL?3模塊輸出更大的電流，功率端子的溫升可能會成為系統(tǒng)設計的瓶頸。為此，EconoDUAL?3 IGBT7對模塊內部連接DCB和功率端子的結構設計進行了優(yōu)化。如圖8所示，IGBT7增加了模塊內部功率端子側的銅片面積，以便于安裝更多的銅連接線，因而IGBT7比IGBT4的銅連接線數(shù)量增加了40%。熱測試對比表明，在相同工況（模塊輸出電流550Arms，IGBT開關頻率1000Hz）下，1200V EconoDUAL?3 IGBT7的直流端子溫度比IGBT4低大約20℃[5]。因為1700V EconoDUAL?3 IGBT7的封裝與1200V EconoDUAL?3 IGBT7相同，所以1200V的測試結果也適用于1700V IGBT7。
a.直流功率端子
b.交流功率端子
圖8.EconoDUAL?3交直流功率端子與內部DCB的連接圖，F(xiàn)F600R17ME4（左），F(xiàn)F900R17ME7（右）
3.3 減小內部引線電阻
模塊內部的綁定線、DCB上表面的覆銅層和芯片與DCB之間的焊接層共同組成了模塊內部的引線電阻，其等效值為RCC’+EE’，如圖9所示。C是IGBT集電極功率端子，C′是IGBT發(fā)射極輔助端子，E是IGBT發(fā)射極功率端子，E′是IGBT發(fā)射極輔助端子。EconoDUAL?3為半橋拓撲，包含兩個等效的IGBT和與其并聯(lián)的續(xù)流二極管。每個IGBT和續(xù)流二極管各包含一個RCC’+EE’。如表2所示，由于IGBT7優(yōu)化了模塊內部設計，常溫下RCC’+EE’為0.8毫歐，比IGBT4的1.1毫歐降低了27.3%，因而可以較大的降低引線電阻的損耗，引線電阻的損耗計算方法可參考文獻6[6]。
圖9.EconoDUAL?3 IGBT功率端子和等效的內部引線電阻示意圖
表2.EconoDUAL?3 IGBT4和IGBT7的內部引線電阻
4 IGBT7和IGBT4仿真分析
4.1 MVD應用仿真分析
如上文分析，在MVD應用中，F(xiàn)F600R17ME4的IGBT導通損耗約占總損耗的56.5%（不包括引線電阻損耗）。因為FF750R17ME7D和FF900R17ME7的IGBT飽和壓降均比FF600R17ME4明顯降低，所以在相同結溫下，F(xiàn)F900R17ME7的輸出能力最高，F(xiàn)F600R17ME4最低，F(xiàn)F750R17ME7D介于二者之間。為了簡化分析，本部分的仿真主要對比FF900R17ME7和FF600R17ME4。仿真參數(shù)見表1，考慮風冷和水冷兩種冷卻工況，散熱器的熱阻（針對半個EconoDUAL?3模塊）分別為0.15K/W和0.05K/W。對于MVD的過載工況，雖然110%額定電流1分鐘過載在風機、水泵類負載中比較普遍，從更嚴苛的角度考慮，本文的過載工況定為120%額定電流1分鐘。
圖10為風冷MVD的輸出電流和IGBT最高結溫的仿真結果，包括額定工況和過載工況。結溫為150℃時，兩種器件的額定輸出電流分別為350A和442A。FF900R17ME7比FF600R17ME4高92A，大約26.3%。過載時，考慮FF900R17ME7具有1分鐘的過載結溫，當額定輸出仍為442A時，過載結溫大約為175℃，剛好充分利用了25℃過載結溫。為了使FF600R17ME4的過載結溫不超過150℃，其額定輸出電流需要降低到320A。所以，過載工況時FF900R17ME7的輸出比FF600R17ME4高122A，大約38.1%。
與風冷工況類似，圖11總結了水冷MVD的仿真結果。結溫為150℃時，F(xiàn)F600R17ME4的額定輸出電流為570A，F(xiàn)F900R17ME7為721A，比FF600R17ME4高151A，大約26.5%。過載工況時，兩種器件的輸出電流分別為480A和672A，F(xiàn)F900R17ME7比FF600R17ME4高192A，大約40%。仿真結果表明IGBT7額外的25℃過載結溫可以進一步提升FF900R17ME7相對于FF600R17ME4的輸出能力。
除了提升器件的輸出能力，IGBT7還可以降低器件的總損耗，增加系統(tǒng)的效率。如圖12所示，F(xiàn)F900R17ME7一個IGBT和反并聯(lián)續(xù)流二極管的總損耗為297W，比FF600R17ME4的402W低105W,大約26.1%。除了二極管的導通損耗有所增加，其他部分的損耗均有不同程度的降低，體現(xiàn)了IGBT7芯片和EconoDUAL?3封裝優(yōu)化的價值。其中，IGBT的導通損耗降低了51W，IGBT開關損耗降低了26W，二極管開關損耗降低了11W，引線電阻損耗降低了20W。
圖10.風冷MVD的輸出電流和IGBT最高結溫-額定和120%過載1分鐘
圖11.水冷MVD的輸出電流和IGBT最高結溫-額定和120%過載1分鐘
圖12.風冷MVD中FF600R17ME4和FF900R17ME7的損耗（一個IGBT和一個續(xù)流二極管），輸出電流300A
4.2 SVG應用仿真分析
根據(jù)表1中的SVG工作參數(shù)，采用與MVD相同的仿真方法、散熱器熱阻和過載工況，對三種器件進行了對比分析。
圖13為風冷SVG的仿真結果。結溫為150℃時，F(xiàn)F600R17ME4，F(xiàn)F750R17ME7D和FF900R17ME7的額定輸出電流分別為367A，427A和417A。FF750R17ME7D比FF600R17ME4高60A，大約16.3%。FF900R17ME7高50A，大約13.6%。120%過載1分鐘時，F(xiàn)F600R17ME4的輸出電流為325A。考慮IGBT7的過載結溫不能超過175℃，F(xiàn)F750R17ME7D輸出電流大約仍為427A，F(xiàn)F900R17ME7大約仍為417A。其分別比FF600R17ME4高102A和92A，大約31.4%和28.3%。
圖14為水冷SVG的仿真結果。結溫為150℃時，F(xiàn)F600R17ME4，F(xiàn)F750R17ME7D和FF900R17ME7的額定輸出電流分別為612A，715A和673A。FF750R17ME7D比FF600R17ME4高103A，大約16.8%。FF900R17ME7高61A，大約10%。FF600R17ME4 120%過載1分鐘的輸出電流為512A。FF750R17ME7D的輸出電流為675A，F(xiàn)F900R17ME7的輸出電流為645A。其分別比FF600R17ME4高163A和133A，大約31.8%和26%。分析結果表明，與FF600R17ME4相比，IGBT7 25℃的過載結溫為FF750R17ME7D和FF900R17ME7增加了大約15%的輸出能力。
如圖15所示，F(xiàn)F600R17ME4一個IGBT和續(xù)流二極管的總損耗為781W，F(xiàn)F750R17ME7D為608W，F(xiàn)F900R17ME7為607W，它們比FF600R17ME7低大約173W,大約為22.1%。FF750R17ME7D所有的損耗部分均比FF600R17ME4低。FF900R17ME7除了二極管的導通損耗比FF600R17ME4高5W，其它部分的損耗也均低于FF600R17ME4。這部分的分析結果再次驗證了上文介紹的IGBT7芯片和EconoDUAL?3封裝優(yōu)化為SVG應用帶來的價值。
圖13.風冷SVG的輸出電流和二極管最高結溫-額定和120%過載1分鐘
圖14.水冷SVG的輸出電流和二極管最高結溫-額定和120%過載1分鐘
圖15.水冷SVG中FF600R17ME4，F(xiàn)F750R17ME7D和FF900R17ME7的損耗（一個IGBT和一個續(xù)流二極管），輸出電流500A
5 結論
本文介紹了英飛凌新一代1700V IGBT7和二極管EC7芯片的特性，并與上一代產(chǎn)品FF600R17ME4進行了詳細的靜態(tài)特性對比。此外，1700V EconoDUAL?3 IGBT7模塊優(yōu)化了內部設計，有助于MVD和SVG系統(tǒng)實現(xiàn)更高的功率密度。基于MVD典型應用工況的仿真結果表明， FF900R17ME7比FF600R17ME4的損耗更低，輸出能力更強，可以實現(xiàn)更高的電流密度。在SVG應用中，F(xiàn)F750R17ME7D的損耗和FF900R17ME7相似，輸出能力略高于FF900R17ME7，這兩款新產(chǎn)品的損耗均比FF600R17ME4低很多，因而可以實現(xiàn)更高的輸出能力。本文的仿真結果均基于理想工況，IGBT模塊在實際系統(tǒng)中的損耗和輸出能力應以實際評估為準。
參考文獻
[1] FF600R17ME4, datasheet
[2] FF750R17ME7D_B11, datasheet.
[3] FF900R17M7_B11, datasheet.
[4] Aleksei Gurvich, Philipp Ross, Jan Baurichter, Andreas Schmal, Klaus Vogel. A New Level of Performance: Best-in-Class 900 A and 750 A 1700 V EconoDUAL? 3 Modules with TRENCHSTOP? IGBT7, PCIM Europe, Nuremberg, Germany, 2022.
[5] Klaus Vogel, Jan Baurichter, Oliver Lenze, Ulrich Nolten, Alexander Philippou, Philipp Ross, Andreas Schmal, Christoph Urban. New, best-in-class 900-A 1200-V EconoDUAL? 3 with IGBT 7: highest power density and performance, PCIM Europe, Nuremberg, Germany, 2019.
[6] Heng Wang, Xin Ma, Yong Yang. A benchmark study of the AC voltage in 3L converter for high power offshore wind turbines. PCIM Asia, Shanghai, China, 2022.
來源：Infineon
作者：馬新、王恒
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯(lián)系小編進行處理。
推薦閱讀：
