【導讀】在本文的第一部分——《如何通過改進IGBT模塊布局來克服芯片縮小帶來的熱性能挑戰》，我們提到尺寸和功率往往看起來像硬幣的兩面。當你縮小尺寸時，你不可避免地會降低功率。在那篇文章中，我們介紹了芯片縮小對熱性能的影響，以及如何通過優化芯片位置和模塊布局來減輕這種影響。現在，讓我們來看看我們如何能夠改善電氣性能。同樣，我們將以采用TRENCHSTOP? IGBT 7技術的新型1200V、600A EconoDUAL? 3模塊為例，該模塊針對通用驅動（GPD）、商業、建筑和農業車輛（CAV）、不間斷電源（UPS）和太陽能等應用進行了優化。
1200V TRENCHSTOP? IGBT 7中功率技術與以前的IGBT 4技術相比，芯片縮小了約30%。芯片放置和模塊布局可以對較小的芯片的熱性能產生積極的影響，但它們也會影響開關損耗。
小芯片的電氣挑戰
在EconoDUAL? 3這樣的中等功率模塊中，需要并聯多個芯片以實現高模塊電流。為了充分利用芯片技術的開關性能，一個適當的模塊設計是關鍵，這意味著并聯芯片的對稱性非常重要。
開關速度和損耗的一個限制因素是在IGBT開啟期間從二極管到IGBT之間的換流。圖1說明了在相同的di/dt，和相同的IGBT和二極管技術和尺寸下，兩種不同模塊布局的IGBT開啟過程。
圖1：模塊布局V1和V2的IGBT 7開啟過程，開關速度相同
當電流開始上升時，CE電壓下降。兩種不同布局之間的一個明顯區別是，電壓（Vce）在V1中顯示出一個駝峰曲線，這是由二極管的恢復過程造成的。二極管的電流需要過零，以便能夠承擔電壓。從這點開始，IGBT可以將電壓轉移到二極管上，讓自己的電壓下降，直到達到飽和狀態（Vcesat）。
由于芯片并聯，最慢的二極管決定了整體開關速度。盡管兩種布局在第一階段顯示了相等的di/dt，但V2有一個較高的反向恢復電流峰值，而V1在最后階段顯示了一個較高的反向恢復拖尾電流。這表明兩種布局的二極管恢復過程是不同的，而且它直接影響到IGBT的開通損耗和二極管的關斷損耗。為了更清楚地看到這一點，你可以比較V1和V2的模塊布局的簡化原理圖（圖2）。
比較模塊布局原理圖以改善換流能力
圖2：模塊布局V1和V2的簡化示意圖。低邊IGBT的開啟過程和反向恢復電流的電流路徑用紅色標出。
在V1中，高邊（HS）和低邊（LS）的所有IGBT和FWD被分別并聯，然后通過一個公共電感（LHS）連接。在LS IGBT的開啟過程中，所有的高邊二極管與低邊IGBT通過這個單一的公共電感進行換向，這降低了反向恢復電流上升階段的di/dt，從而導致載流子的提取速度變慢。
在V2中，使用了不同的物理布局。在這里，每個高邊二極管可以在它自己的電流路徑上與相應的低邊IGBT直接換向。這導致了在二極管電流的過零點到反向恢復電流峰值之間的階段有一個更陡峭的di/dt。更多的電荷載流子在第一階段被提取，而二極管可以更快地建立電壓（圖3）。
圖3：在相同的di/dt開關速度下，模塊布局V1和V2的二極管關斷
當從所有二極管中提取載流子的過程是同步的，IGBT電壓可以更快地下降，降低IGBT開啟的開關損耗。最好的情況是當并聯的IGBT可以直接與對面的各自的續流二極管（FWD）換向，所有的路徑都有理想的相同電感。盡管V2中低邊和高邊的不對稱性增加了，但可以實現整體開關損耗的巨大減少--在相同的di/dt下約為7%（圖4）。
圖4：在圖2和圖4所示的開關條件下，模塊布局V1和V2的相對IGBT 7開關損耗。
比較1200V 600A TRENCHSTOP? IGBT 7與前一代IGBT 4的熱和電氣性
從本文的第一部分--以及現在的第二部分--可以看出，優化模塊布局對散熱和電氣性能都有重大影響。但是，這在實踐中是如何應用的呢？為此，讓我們比較一下以前的EconoDUAL? 3 1200V, 600A with TRENCHSTOP? IGBT4配備的模塊布局V1（FF600R12ME4_B72）和新的EconoDUAL? 3 1200V, 600A with TRENCHSTOP? IGBT7配備的模塊布局V2。
為了得到一個實際的比較，讓我們看看典型應用條件下的性能（圖5）。我們在逆變器工作模式下運行模塊，采用強制空氣散熱器冷卻。為了獲得模塊的完整熱圖像，我們用紅外相機測量了IGBT和FWD的結溫。
圖5：典型仿真條件
受到二極管瞬變的限制，IGBT4模塊（FF600R12ME4_B72）是在du/dt為4.1kV/μs時測試的。IGBT7模塊是在兩個不同的開關速度--5 kV/μs和6.5kV/μs--下測量的。從圖6中的結果可以看出，IGBT4模塊的最大有效值電流為490A，而IGBT7模塊在5kV/μs的IGBT（du-dt）on下最大可輸出520A的電流，在6.5kV/μs的IGBT（du-dt）on下輸出電流可達到535A。這意味著，在典型的應用條件下，新的EconoDUAL? 3 1200V, 600A TRENCHSTOP? IGBT7可以提供約8%的更高的輸出有效值電流，而不會受到開關速度的限制。
圖6：測量平均芯片溫度Tvj,avg作為不同IGBT（du-dt）on的RMS輸出電流IRMS的函數
這些數字表明，即使不改變芯片技術，也可以通過模塊設計在熱和電氣方面實現更高的輸出電流。在應用條件下的實際測量中，也證實了這些發現。
新開發的帶有TRENCHSTOP? IGBT7的EconoDUAL? 3 1200V, 600A的整體開關損耗與前一代帶有IGBT 4的產品相比可減少約10%至25%。此外，其靜態損耗可降低20%。測量結果證實，在150°C時，輸出電流增加了約7%，但如果使用IGBT7的過載運行溫度高達175°C，這種差異會更加明顯。
雖然芯片縮小可能會提高熱阻，但是通過巧妙的模塊設計，芯片的縮小卻不一定導致應用性能下降。
參考閱讀
論文|1200V IGBT7和Emcon7可控性更佳，助力提升變頻器系統性能（上）
論文|1200V IGBT7和Emcon7可控性更佳，助力提升變頻器系統性能（下）
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