【導(dǎo)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(yīng)用于級聯(lián)型中高壓變頻器、靜止無功發(fā)生器(SVG)和風(fēng)電變流器,覆蓋了中功率和一部分大功率的應(yīng)用場合。隨著芯片技術(shù)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(shù)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(yīng)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(yīng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單,擴(kuò)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(yīng)用,這兩種設(shè)備的功率單元拓?fù)鋱D如圖1所示。在工業(yè)應(yīng)用中,電機(jī)作為風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、皮帶機(jī)、提升機(jī)、破碎機(jī)和球磨機(jī)等各種機(jī)械設(shè)備的驅(qū)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(jié)合,可以顯著的降低電機(jī)能耗。SVG主要應(yīng)用于提升電網(wǎng)的輸電容量及穩(wěn)定暫態(tài)電壓,也可實(shí)現(xiàn)輸配電網(wǎng)、風(fēng)電和光伏、電弧爐/軋鋼機(jī)、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(bǔ)償不平衡負(fù)荷、濾除負(fù)荷諧波電流,達(dá)到提高電能質(zhì)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(jié)構(gòu)重新調(diào)整,不利于產(chǎn)品的平臺化設(shè)計(jì)。
為了進(jìn)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(nèi)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(jìn)行了增強(qiáng),電流升級到了1200A,在負(fù)功率因數(shù)應(yīng)用中,比如雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)電機(jī)側(cè)變流器[4],它可以降低二極管的結(jié)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?fù)鋱D
圖2.EconoDUAL?3 IGBT模塊
1 FF600R17ME4在MVD和SVG中的應(yīng)用分析
在MVD和SVG應(yīng)用中,IGBT的開關(guān)頻率比較低,所以IGBT的開關(guān)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(fēng)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(jié)溫,結(jié)果如圖3所示。MVD的功率因數(shù)接近1,IGBT的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗之和遠(yuǎn)高于二極管,所以IGBT的結(jié)溫最高,為122.3℃。此外,IGBT的導(dǎo)通損耗約占其總損耗(導(dǎo)通損耗+開關(guān)損耗)的73%。SVG的功率因數(shù)為0,二極管的導(dǎo)通損耗和IGBT的導(dǎo)通損耗接近,占各自總損耗的60%和72%。二極管的開關(guān)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(jié)殼熱阻比IGBT高,所以二極管的結(jié)溫最高,為119.9℃。在MVD和SVG中,IGBT的導(dǎo)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(jìn)一步研究1700V IGBT7在MVD和SVG中的應(yīng)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(jié)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(shù)
2.1 IGBT7芯片介紹
IGBT7芯片技術(shù)首先應(yīng)用于1200V的小功率IGBT,后來逐步擴(kuò)展到1200V的中功率和大功率IGBT,其主要應(yīng)用為電機(jī)控制類的變頻器,比如通用變頻器、伺服驅(qū)動器和電動汽車主驅(qū)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(yīng)用于EconoDUAL?3封裝。IGBT7芯片技術(shù)采用了微溝槽(micro-pattern trench,簡稱MPT)結(jié)構(gòu),以解決芯片電流密度增加面臨的挑戰(zhàn),MPT結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)更低的飽和壓降。此外,通過調(diào)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(guān)特性、開關(guān)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(shè)計(jì)理念,旨在實(shí)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(yīng)用條件下運(yùn)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(jié)溫的輸出特性曲線。由于IGBT7采用了微溝槽結(jié)構(gòu)和載流子限制,它的飽和壓降顯著降低。以FF600R17ME4的標(biāo)稱電流600A為基準(zhǔn),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(biāo)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(dǎo)通損耗。
圖5.IGBT4和IGBT7的導(dǎo)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(jié)溫分別為25℃和150℃。當(dāng)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?yàn)镕F750R17ME7D的二極管電流為1200A,所以它比FF900R17ME7的壓降更低。當(dāng)基于器件各自的標(biāo)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(dāng)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(fù)溫度系數(shù)。這樣設(shè)計(jì)的原因是為了優(yōu)化EC7二極管的反向恢復(fù)特性,降低反向恢復(fù)損耗,同時也可以降低IGBT的開通損耗。在2-3kHz開關(guān)頻率的整流或者逆變應(yīng)用中,由于IGBT的開關(guān)損耗和二極管的反向恢復(fù)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(dǎo)通損耗,甚至FF900R17ME7二極管的導(dǎo)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(yīng)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(qiáng)模塊設(shè)計(jì),比如提升芯片的工作結(jié)溫、減小模塊內(nèi)部引線電阻發(fā)熱和降低功率端子溫升,以應(yīng)對系統(tǒng)高功率密度設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)。
3.1 175℃過載工作結(jié)溫
通過優(yōu)化EconoDUAL?3模塊設(shè)計(jì),IGBT7增加了過載結(jié)溫定義,如圖7所示。IGBT7允許的過載結(jié)溫位于150℃和175℃之間,過載時間小于等于20%過載周期,比如當(dāng)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(nèi)過載工況的應(yīng)用中,與IGBT4相比,IGBT7額外的25℃過載工作結(jié)溫可以提升器件額定工況對應(yīng)的工作結(jié)溫,使過載結(jié)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(jié)溫,IGBT7過載結(jié)溫最高175℃,IGBT4最高結(jié)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(guān)系的歐姆損耗,這些損耗一部分通過模塊內(nèi)部的銅連接線傳導(dǎo)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(dá)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(shè)計(jì)的瓶頸。為此,EconoDUAL?3 IGBT7對模塊內(nèi)部連接DCB和功率端子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。如圖8所示,IGBT7增加了模塊內(nèi)部功率端子側(cè)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(guān)頻率1000Hz)下,1200V EconoDUAL?3 IGBT7的直流端子溫度比IGBT4低大約20℃[5]。因?yàn)?700V EconoDUAL?3 IGBT7的封裝與1200V EconoDUAL?3 IGBT7相同,所以1200V的測試結(jié)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(nèi)部DCB的連接圖,F(xiàn)F600R17ME4(左),F(xiàn)F900R17ME7(右)
3.3 減小內(nèi)部引線電阻
模塊內(nèi)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(nèi)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?fù)?,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(nèi)部設(shè)計(jì),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(jì)算方法可參考文獻(xiàn)6[6]。
圖9.EconoDUAL?3 IGBT功率端子和等效的內(nèi)部引線電阻示意圖
表2.EconoDUAL?3 IGBT4和IGBT7的內(nèi)部引線電阻
4 IGBT7和IGBT4仿真分析
4.1 MVD應(yīng)用仿真分析
如上文分析,在MVD應(yīng)用中,F(xiàn)F600R17ME4的IGBT導(dǎo)通損耗約占總損耗的56.5%(不包括引線電阻損耗)。因?yàn)镕F750R17ME7D和FF900R17ME7的IGBT飽和壓降均比FF600R17ME4明顯降低,所以在相同結(jié)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(fēng)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(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載中比較普遍,從更嚴(yán)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(fēng)冷MVD的輸出電流和IGBT最高結(jié)溫的仿真結(jié)果,包括額定工況和過載工況。結(jié)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(jié)溫,當(dāng)額定輸出仍為442A時,過載結(jié)溫大約為175℃,剛好充分利用了25℃過載結(jié)溫。為了使FF600R17ME4的過載結(jié)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(fēng)冷工況類似,圖11總結(jié)了水冷MVD的仿真結(jié)果。結(jié)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(jié)果表明IGBT7額外的25℃過載結(jié)溫可以進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)通損耗降低了51W,IGBT開關(guān)損耗降低了26W,二極管開關(guān)損耗降低了11W,引線電阻損耗降低了20W。
圖10.風(fēng)冷MVD的輸出電流和IGBT最高結(jié)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(jié)溫-額定和120%過載1分鐘
圖12.風(fēng)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(yīng)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(jìn)行了對比分析。
圖13為風(fēng)冷SVG的仿真結(jié)果。結(jié)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??紤]IGBT7的過載結(jié)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(jié)果。結(jié)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(jié)果表明,與FF600R17ME4相比,IGBT7 25℃的過載結(jié)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(dǎo)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(jié)果再次驗(yàn)證了上文介紹的IGBT7芯片和EconoDUAL?3封裝優(yōu)化為SVG應(yīng)用帶來的價值。
圖13.風(fēng)冷SVG的輸出電流和二極管最高結(jié)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(jié)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(jié)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(jìn)行了詳細(xì)的靜態(tài)特性對比。此外,1700V EconoDUAL?3 IGBT7模塊優(yōu)化了內(nèi)部設(shè)計(jì),有助于MVD和SVG系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。基于MVD典型應(yīng)用工況的仿真結(jié)果表明, FF900R17ME7比FF600R17ME4的損耗更低,輸出能力更強(qiáng),可以實(shí)現(xiàn)更高的電流密度。在SVG應(yīng)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(shí)現(xiàn)更高的輸出能力。本文的仿真結(jié)果均基于理想工況,IGBT模塊在實(shí)際系統(tǒng)中的損耗和輸出能力應(yīng)以實(shí)際評估為準(zhǔn)。
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來源:Infineon
作者:馬新、王恒
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