【導(dǎo)讀】較高的切換效率在需要輸出過濾器或升壓/降壓抑制的應(yīng)用中，帶來的好處是不言而喻的。就拿太陽能變頻器來說就有這種妙用。太陽能變頻器以其高效率和功率密度的優(yōu)勢足以承受高成本壓力。現(xiàn)如今高速絕緣閘雙極電晶體(High Speed IGBT)已經(jīng)達到了太陽能功率模組中的理想標(biāo)準(zhǔn)。
本文將說明650伏特(V)IGBT3、650V IGBT4及650V高速IGBTHS3 IGBT三者應(yīng)用在功率模組上的差異。結(jié)果顯示，依據(jù)裝置設(shè)計，650V HS3 IGBT將能提供最理想的效能，用做高效率的切換開關(guān)。
對阻斷電壓介于600~1，200V的現(xiàn)代IGBT而言，溝槽場截止(Trench-Field-Stop)技術(shù)是最常見的概念。這項技術(shù)一方面可讓裝置執(zhí)行低導(dǎo)通電壓及軟切換，另一方面可降低切換損耗并提供高頻率應(yīng)用，類似金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體(MOSFET)的切換效能。
溝槽場截止降低IGBT靜態(tài)損耗
搭載這項技術(shù)的元件效能主要由晶格尺寸、晶片厚度及摻雜分布等設(shè)計參數(shù)控制。設(shè)計人員透過調(diào)整這些參數(shù)，便能讓元件在漂移區(qū)的高載子密度增加。此類元件提供低VCE(sat)，降低靜態(tài)損耗；于關(guān)斷期間，高載子密度會減慢元件清除速度，增加動態(tài)損耗。因此，IGBT除了可用于太陽能變頻器或升壓器之類需要低動態(tài)損耗元件的高頻率應(yīng)用，也適用在需要低靜態(tài)損耗的低頻率應(yīng)用。
具低關(guān)閉損耗 HS3 IGBT適合高頻應(yīng)用
測量時使用50安培(A)額定集極電流的650V IGBT3、650V IGBT4及650V HS3 IGBT，透過測量切換損耗來決定晶片的電子效能。測量時，將每個晶片整合在具有相同電路及17奈亨(nH)雜散電感的EasyPACK 2B功率模組。由于導(dǎo)通損耗EON主要受使用的飛輪二極體影響，所有晶片在運作時皆使用額定電流IF=30A的650V射極控制二極體。
除非另行指定，所有測量均在實驗室中依下列條件進行：采用整合式電流探針且雜散電感為L=25nH；直流連結(jié)電壓設(shè)為VDC=400V，符合一般應(yīng)用電壓，晶片以IC=50A的額定集極電流運作；IGBT驅(qū)動使用閘射極電壓VGE=±15V。所有測量均在Tvj=25℃下執(zhí)行。晶片的切換運作皆在上述設(shè)定下測量，從開通及關(guān)斷波形中擷取出對應(yīng)的能源和特性切換參數(shù)。
圖1顯示HS3 IGBT、IGBT3及IGBT4在相同切換參數(shù)下的切換損耗。于開通及關(guān)斷時分別達到di/dt=1.5千安培(kA)/微秒(s)和dv/dt=4.5千伏特(kV)/s的條件設(shè)定RG。HS3 IGBT具有最低的切換損耗EON及EOFF，且加總的Etotal不及IGBT3的一半。圖1中插圖顯示HS3 IGBT的EON和di/dt與RG的關(guān)系，RG升高時，EON升高，而di/dt降低；尤其在RG1kA/s，而較高的RG將使di/dt低于0.5kA/s。
圖1
針對HS3 IGBT、IGBT3和IGBT4，開通時在相同的di/dt下，關(guān)斷時在相同的dv/dt下，EON、EOFF和Etotal的切換能量比較。上方插圖為HS3 IGBT的EON和di/dt與RG的關(guān)聯(lián)。HS3具有低關(guān)閉損耗，表示其切換效能優(yōu)異。因此，HS3 IGBT最適合高頻率應(yīng)用，其藉由權(quán)衡EOFF和VCE(sat)，可提供低動態(tài)損耗。由于HS3 IGBT使用高閘極電阻，使其具有高導(dǎo)通損耗，同時帶來極低的di/dt。為補償此特性，必須大幅降低導(dǎo)通閘極電阻，其中一種可行的實作方式是使用較為精密的閘極驅(qū)動設(shè)計，讓HS3 IGBT可用做非常高效率的切換開關(guān)。
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RG設(shè)定影響HS3 IGBT切換效能
前文顯示HS3 IGBT在高頻率應(yīng)用上大幅超越IGBT3及IGBT4，接下來要測量的是HS3 IGBT在操作條件下的效能。在一般的太陽能變頻器操作條件下，HS3 IGBT大部分將以低于額定晶片電流的集極電流運作；此外，直流連結(jié)電壓可能會隨廣泛的電壓范圍變化。因此，以下將分析HS3 IGBT在150~450V的直流連結(jié)電壓范圍，以及集極電流達到額定晶片電流下的切換損耗。
測量時，閘極驅(qū)動電路使用RG=15。圖2顯示HS3 IGBT切換損耗與直流連結(jié)電壓的關(guān)聯(lián)，當(dāng)VDC較低時EOFF也較低，且會隨著VDC提高呈線性增加，而較高的集極電流則會提高關(guān)斷損耗；相較之下，可發(fā)現(xiàn)EON的提高與VDC和IC不成比例，在IC=10A時，EON相對于VDC的斜率幾乎為恒定；在IC=30和50A時，可發(fā)現(xiàn)VDC300V時的斜率變大。在插圖中，非等比例的提高也同樣發(fā)生在Etotal。
圖2
HS3 IGBT切換能量EON和EOFF與直流連結(jié)電壓在IC=10、30和50A的關(guān)系。上方插圖為HS3 IGBT的Etotal與直流連結(jié)電壓IC=10、30和50A的關(guān)系。這些測量顯示，相較于導(dǎo)通損耗，HS3 IGBT的關(guān)斷損耗對裝置效能的影響極為輕微，當(dāng)VDC300V，IC30A時，導(dǎo)通損耗非等比例的提高，可在低集極電流下得到最高效率；較大的VDC和IC會提高導(dǎo)通損耗，與di/dt降低有所關(guān)聯(lián)。此效應(yīng)為HS3 IGBT的特性，且和裝置設(shè)計有關(guān)。要補償此效應(yīng)的方法之一，就是降低RG，進而降低軟化度(Softness)。
使用高切換速度的裝置時，伴隨應(yīng)用而來的需求之一，就是必須降低設(shè)定中的雜散電感。因此，模組及設(shè)定兩者都必須提供低電感，以避免寄生效應(yīng)。與雜散電感緊密相關(guān)的兩個常見效應(yīng)包括集射極的過電壓峰值VPeak，以及關(guān)斷和開通期間集射極電壓下降導(dǎo)致的切換損耗降低。
圖3顯示在相同的切換參數(shù)，VDC=400V，di/dt=1.5kA/s和dv/dt=7.2kV/s，及VDC=300V，di/dt=1.6kA/sdv/dt=6.0kV/s下，HS3 IGBT的切換損耗和過電壓峰值相對于設(shè)定的雜散電感。提高L時，關(guān)斷能量會稍微提高，而開通能量則會大幅降低，因此，提高L將會降低總切換能量，這個一般性趨勢與直流連結(jié)電壓無關(guān)；另一方面，較高的L將使VPeak提高，因此使用的直流連結(jié)電壓將受到限制。對策之一就是提高RG以降低切換速度，但這樣卻會提高切換損耗。
圖3
HS3 IGBT切換能量EON和EOFF及VPeak與VDC=300和400V雜散電感的關(guān)系。上方插圖為HS3 IGBT的Etotal與雜散電感VDC=300和400V的關(guān)系。提高設(shè)定的雜散電感可降低IGBT的Etotal，因為降低EON的影響遠(yuǎn)高于提高EOFF。由設(shè)定或二極體急變的諧振頻率所導(dǎo)致的振蕩等寄生效應(yīng)，將產(chǎn)生電磁干擾，這也必須在應(yīng)用中加以考量。 [page]
HS3 IGBT具備低損耗/高輸出電流
為分析不同切換頻率的裝置效能，使用IPOSIM模擬變頻器效能。為了能夠進行比較，圖1所示的HS3 IGBT和IGBT3的動態(tài)損耗也考量在內(nèi)。在模擬中，計算出輸出功率4千伏安(kVA)的單相H型電橋的輸出電流，并考量以下的操作條件：輸出電流IOUT設(shè)為17.4ARMS，功率因子使用1.0；此外，調(diào)變指數(shù)為0.8，直流連結(jié)電壓為400V。這兩款裝置使用相同的熱狀況，將散熱片溫度固定在80℃。
圖4顯示H橋變頻器在上述操作條件下模擬的半導(dǎo)體功率損耗PLosses。從H橋變頻器的分析顯示，IGBT3的靜態(tài)損耗只有HS3 IGBT靜態(tài)損耗的70%;提高切換頻率f時，動態(tài)損耗變得很明顯，在f=7.5kHz時，HS3 IGBT的整體損耗等于IGBT3的整體損耗，如圖4星號部分顯示;當(dāng)進一步提高切換頻率時，此效應(yīng)更為顯著，而且可清楚發(fā)現(xiàn)HS3 IGBT的優(yōu)點在高切換頻率下更為明顯。
圖4
左側(cè)：HS3 IGBT和IGBT3在H橋變頻器拓?fù)涞哪M半導(dǎo)體功率損耗與切換頻率的關(guān)系。模擬的功率損耗為H橋變頻器的功率損耗，而非單一晶片；右側(cè)：HS3 IGBT和IGBT3最高可達到的輸出電流與切換頻率的關(guān)系。
圖4右側(cè)顯示最高可達到的輸出電流，計算時使用了上述的操作條件，其中IOUT不是固定值，會受裝置最高接面溫度限制；當(dāng)提高頻率時，IOUT隨之下降，在低切換頻率時，IGBT3的最高輸出電流高于HS3 IGBT；在f=7.5kHz時，HS3 IGBT的輸出電流高于IGBT3的輸出電流。HS3 IGBT和IGBT3兩者IOUT的差異，在較高的切換頻率下更為顯著。
閘極驅(qū)動設(shè)計發(fā)揮HS3 IGBT效能
本文提出HS3 IGBT、IGBT3和IGBT4的比較，當(dāng)中顯示HS3 IGBT的切換損耗少了兩倍，在高頻率應(yīng)用的效能上大幅超越IGBT3及IGBT4。為了能善加發(fā)揮HS3 IGBT的切換效能，需要有針對應(yīng)用最佳化的操作模式。因此，必須仔細(xì)考量操作電流和閘極電阻，針對后者，其中一種可能的方式就是使用更為精細(xì)的閘極驅(qū)動設(shè)計。
經(jīng)過上面的講解，我們可以看出HS3 IGBT是一款經(jīng)濟實惠的高效率切換開關(guān)，非常適合用在太陽能變頻器或不斷電系統(tǒng)(UPS)之類的高頻率硬切換應(yīng)用。模擬的結(jié)果也支持這些發(fā)現(xiàn)，同時顯示HS3 IGBT適合在操作切換頻率超過7.5kHz的應(yīng)用中，當(dāng)做最新型的切換開關(guān)使用。
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