高频功率切换损耗低　高速IGBT增强PV变频器效能

作者：Jens De Bock/Christian R. MUller，英飞凌科技

对需要输出过滤器或升压/降压抑制的应用来说，较高的切换频率可为整个系统带来好处，像太阳能变频器就是同时兼具两者的应用。太阳能变频器具有最好的效率及功率密度，同时也承受着高成本压力。高速绝缘闸双极晶体管(High Speed IGBT)已针对高频率硬切换应用优化，因此，该零件为太阳能应用中功率模块的理想选择。

本文将说明650伏特(V)IGBT3、650V IGBT4及650V高速IGBT--HS3 IGBT三者应用在功率模块上的差异。结果显示，依据装置设计，650V HS3 IGBT将能提供最理想的效能，用做高效率的切换开关。

对阻断电压介于600~1,200V的现代IGBT而言，沟槽场截止(Trench-Field-Stop)技术是最常见的概念。这项技术一方面可让装置执行低导通电压及软切换，另一方面可降低切换损耗并提供高频率应用，类似金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)的切换效能。

沟槽场截止降低IGBT静态损耗

搭载这项技术的组件效能主要由晶格尺寸、芯片厚度及掺杂分布等设计参数控制。设计人员透过调整这些参数，便能让组件在漂移区的高载子密度增加。此类组件提供低VCE(sat)，降低静态损耗；于关断期间，高载子密度会减慢组件清除速度，增加动态损耗。因此，IGBT除了可用于太阳能变频器或升压器之类需要低动态损耗组件的高频率应用，也适用在需要低静态损耗的低频率应用。

具低关闭损耗　HS3 IGBT适合高频应用

测量时使用50安培(A)额定集极电流的650V IGBT3、650V IGBT4及650V HS3 IGBT，透过测量切换损耗来决定芯片的电子效能。测量时，将每个芯片整合在具有相同电路及17奈亨(nH)杂散电感的EasyPACK 2B功率模块。由于导通损耗EON主要受使用的飞轮二极管影响，所有芯片在运作时皆使用额定电流IF=30A的650V射极控制二极管。

除非另行指定，所有测量均在实验室中依下列条件进行：采用整合式电流探针且杂散电感为Lσ=25nH；直流链接电压设为VDC=400V，符合一般应用电压，芯片以IC=50A的额定集极电流运作；IGBT驱动使用闸射极电压VGE=±15V。所有测量均在Tvj=25℃下执行。

芯片的切换运作皆在上述设定下测量，从开通及关断波形中撷取出对应的能源和特性切换参数。

图1显示HS3 IGBT、IGBT3及IGBT4在相同切换参数下的切换损耗。于开通及关断时分别达到di/dt=1.5千安培(kA)/微秒(μs)和dv/dt=4.5千伏特(kV)/μs的条件设定RG。HS3 IGBT具有最低的切换损耗EON及EOFF，且加总的Etotal不及IGBT3的一半。图1中插图显示HS3 IGBT的EON和di/dt与RG的关系，RG升高时，EON升高，而di/dt降低；尤其在RG<20奥姆(Ω)时，可达到di/dt>1kA/μs，而较高的RG将使di/dt低于0.5kA/μs。


图1　针对HS3 IGBT、IGBT3和IGBT4，开通时在相同的di/dt下，关断时在相同的dv/dt下，EON、EOFF和Etotal的切换能量比较。上方插图为HS3 IGBT的EON和di/dt与RG的关联。

HS3具有低关闭损耗，表示其切换效能优异。因此，HS3 IGBT最适合高频率应用，其藉由权衡EOFF和VCE(sat)，可提供低动态损耗。由于HS3 IGBT使用高闸极电阻，使其具有高导通损耗，同时带来极低的di/dt。为补偿此特性，必须大幅降低导通闸极电阻，其中一种可行的实作方式是使用较为精密的闸极驱动设计，让HS3 IGBT可用做非常高效率的切换开关。

RG设定影响HS3 IGBT切换效能

前文显示HS3 IGBT在高频率应用上大幅超越IGBT3及IGBT4，接下来要测量的是HS3 IGBT在操作条件下的效能。在一般的太阳能变频器操作条件下，HS3 IGBT大部分将以低于额定芯片电流的集极电流运作；此外，直流链接电压可能会随广泛的电压范围变化。因此，以下将分析HS3 IGBT在150~450V的直流链接电压范围，以及集极电流达到额定芯片电流下的切换损耗。

测量时，闸极驱动电路使用RG=15Ω。图2显示HS3 IGBT切换损耗与直流链接电压的关联，当VDC较低时EOFF也较低，且会随着VDC提高呈线性增加，而较高的集极电流则会提高关断损耗；相较之下，可发现EON的提高与VDC和IC不成比例，在IC=10A时，EON相对于VDC的斜率几乎为恒定；在IC=30和50A时，可发现VDC≧300V时的斜率变大。在插图中，非等比例的提高也同样发生在Etotal。


图2　HS3 IGBT切换能量EON和EOFF与直流链接电压在IC = 10、30和50A的关系。上方插图为HS3 IGBT的Etotal与直流链接电压IC = 10、30和50A的关系。

这些测量显示，相较于导通损耗，HS3 IGBT的关断损耗对装置效能的影响极为轻微，当VDC≧300V，IC≧30A时，导通损耗非等比例的提高，可在低集极电流下得到最高效率；较大的VDC和IC会提高导通损耗，与di/dt降低有所关联。此效应为HS3 IGBT的特性，且和装置设计有关。要补偿此效应的方法之一，就是降低RG，进而降低软化度(Softness)。
使用高切换速度的装置时，伴随应用而来的需求之一，就是必须降低设定中的杂散电感。因此，模块及设定两者都必须提供低电感，以避免寄生效应。与杂散电感紧密相关的两个常见效应包括集射极的过电压峰值VPeak，以及关断和开通期间集射极电压下降导致的切换损耗降低。

图3显示在相同的切换参数，VDC=400V，di/dt=1.5kA/μs和dv/dt=7.2kV/μs，及VDC=300V，di/dt=1.6kA/μs和dv/dt=6.0kV/μs下，HS3 IGBT的切换损耗和过电压峰值相对于设定的杂散电感。提高Lσ时，关断能量会稍微提高，而开通能量则会大幅降低，因此，提高Lσ将会降低总切换能量，这个一般性趋势与直流链接电压无关；另一方面，较高的Lσ将使VPeak提高，因此使用的直流链接电压将受到限制。对策之一就是提高RG以降低切换速度，但这样却会提高切换损耗。


图3　HS3 IGBT切换能量EON和EOFF及VPeak与VDC = 300和400V杂散电感的关系。上方插图为HS3 IGBT的Etotal与杂散电感VDC = 300和400V的关系。

提高设定的杂散电感可降低IGBT的Etotal，因为降低EON的影响远高于提高EOFF。由设定或二极管急变的谐振频率所导致的振荡等寄生效应，将产生电磁干扰，这也必须在应用中加以考虑。

HS3 IGBT具备低损耗/高输出电流

为分析不同切换频率的装置效能，使用IPOSIM仿真变频器效能。为了能够进行比较，图1所示的HS3 IGBT和IGBT3的动态损耗也考虑在内。在模拟中，计算出输出功率4千伏安(kVA)的单相H型电桥的输出电流，并考虑以下的操作条件：输出电流IOUT设为17.4ARMS，功率因子使用1.0；此外，调变指数为0.8，直流链接电压为400V。这两款装置使用相同的热状况，将散热片温度固定在80℃。

图4显示H桥变频器在上述操作条件下模拟的半导体功率损耗PLosses。从H桥变频器的分析显示，IGBT3的静态损耗只有HS3 IGBT静态损耗的70%；提高切换频率f时，动态损耗变得很明显，在f=7.5kHz时，HS3 IGBT的整体损耗等于IGBT3的整体损耗，如图4星号部分显示；当进一步提高切换频率时，此效应更为显着，而且可清楚发现HS3 IGBT的优点在高切换频率下更为明显。


图4　左侧：HS3 IGBT和IGBT3在H桥变频器拓扑的模拟半导体功率损耗与切换频率的关系。模拟的功率损耗为H桥变频器的功率损耗，而非单一芯片；右侧：HS3 IGBT和IGBT3最高可达到的输出电流与切换频率的关系。

图4右侧显示最高可达到的输出电流，计算时使用了上述的操作条件，其中IOUT不是固定值，会受装置最高接面温度限制；当提高频率时，IOUT随之下降，在低切换频率时，IGBT3的最高输出电流高于HS3 IGBT；在f 7.5kHz时，HS3 IGBT的输出电流高于IGBT3的输出电流。HS3 IGBT和IGBT3两者IOUT的差异，在较高的切换频率下更为显着。

闸极驱动设计发挥HS3 IGBT效能

本文提出HS3 IGBT、IGBT3和IGBT4的比较，当中显示HS3 IGBT的切换损耗少了两倍，在高频率应用的效能上大幅超越IGBT3及IGBT4。为了能善加发挥HS3 IGBT的切换效能，需要有针对应用优化的操作模式。因此，必须仔细考虑操作电流和闸极电阻，针对后者，其中一种可能的方式就是使用更为精细的闸极驱动设计。

HS3 IGBT是经济实惠的高效率切换开关，适合用在太阳能变频器或不断电系统(UPS)之类的高频率硬切换应用。仿真的结果也支持这些发现，同时显示HS3 IGBT适合在操作切换频率超过7.5kHz的应用中，当做最新型的切换开关使用。