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高开关速度优化的新一代IGBT系列(1)

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2010/11/2 9:38:50   

  所属频道:  太阳能    关键词:  高开关 IGBT系列

  摘要:最近几年,分立的IGBT已在不同的领域广泛应用,诸如传动用逆变器、电感性加热、焊接、太阳能发电用逆变器和UPS。这些应用装置在某些方面仍有本质上的不同要求,需要应用优化的专用器件。
  
  本文阐述第三代1200V高速器件(“HS3”产品系列),它是专为焊接,太阳能发电逆变器和UPS等高频应用设计的。这些应用的典型工作频率范围是20K--40KHz,要求开关损耗低于典型的传动应用的损耗,后者在10KHZ甚至在更低范围中应用。但是,饱和电压VCE,sat在整个损耗中仍起重要的作用,为此要找到开关损耗和传导损耗之间良好的平衡。文中提供了新产品的特性并和市场上的其他产品系列做了比较。这些新产品的效益在特定装置的应用中获得了验证。
  
  1  引言
  
  电能的高效利用是电力电子获得迅速发展的主要推动力之一。IGBT技术为这些应用提供优化的专用器件来支持这种趋势[1]-[3]。虽然IGBT当前的主要市场仍属电力传动部分,但最近几年,其他应用领域,诸如UPS(不中断电源),光伏逆变器也取得了显著的市场份额。对各种应用——从大功率传动用的逆变器到独特的烹调电器用的电线插孔(cookinghubs)——都是将它用作功率开关。其中大多数是以DC/AC变换方式来应用,但仍有不同特性的要求。例如,电力传动逆变器要求器件具有较强的坚韧性,包括应付负载短路电流等失效模式的能力。而用于UPS或太阳能逆变器,则侧重于效率和输出信号的质量。这样,后者在较高频率下驱动时可减轻滤波器工作。当然,电力传动也一样要求高效率,因为要小型化就要求严格限制系统的总损耗。本文介绍的新一代1200V高速(HighSpeed)IGBT3(简称:HS3-系列)是针对UPS,太阳能逆变器和焊接等装置应用专门开发的。它侧重于提高效率和用于高于20KHz的高频开关,以及具有更好的抗电磁干扰性能与软开关特性。
  
  下文首先阐述IGBT和二极管的特点,再阐述所选应用条件的优点。
  
  2  HS3产品特性
  
  2.1 技术概述:IGBT
  
  HS3-IGBT产品系列是在已定型的TrenchStop2产品系列相同技术基础上的延伸。针对前几个技术发展阶段和电压等级(见图1),英飞凌技术公司用现代薄片技术将沟槽(Trench)MOS单元结合场截止(Stop)理念进行优化。为了优化性能,这种理念允许对IGBT收集极特性进行技术调制。这种方法的好处本身表明,尤其在耐短路电流和脉冲电流的坚韧性方面是优越的,软开关特性也一样优越。不过,TrenchStop2系列的目标是提高低、中频直到20KHz的逆变器的效率,而HS3系列则为高频运作优化发射极。
  
  众所周知,对给定的IGBT技术基础(用单元布局和垂直设计为表征),在器件的漂移区采用等离子体技术调制可得到不同的器件特性。调整IGBT器件中固有的PNP晶体管的增益,可找到传导损耗和开关损耗之间的关系或不同的折衷点。通常,以关断损耗Eoff作为传导损耗(以额定电流下的饱和电压VCE,sat表示)的函数关系作图来说明。图2示出HS3系列的优化效果,作为参考也列出以前各代器件的折衷点。
  
  HS3产品和TrenchStop2产品相比,关断损耗减小了40%,而饱和电压VCE,sat却被提高了400mV。但是,和以前的快开关IGBT相比,HS3产品的Eoff减小了15%,同时减小的传导损耗(VCE,sat)大于1V。
  
  下文讨论新产品提供高于20KHz高频应用的新基准性能。
  
  
  
  
  图1  IGBT各代的变革     (把图中的英文换成下面相应的中文)
  
  PunchThrouthNonPunchThroughTrench+Field-Stop
  
  穿通非穿通沟槽+电场截止
  
  优点优点
  
  *背面注入发射极*背面注入发射极
  
  *更好调整*能注入电场截止区
  
  薄基区
  
  性能性能
  
  *低开关损耗*低VCEsat
  
  *较高的开关坚韧性*低开关损耗
  
  *较高的开关坚韧性
  
 
  图2 HS3(HighSpeed3)系列和以前各代产品的导通损耗和关断损耗的折衷图
  
  HS3的另一个收效是它还具有平滑的开关特性,没有干扰瞬变或高压尖峰。图3示出了HS3系列的IKW40N120H3和TrenchStop2系列的IKW40N20T2开关曲线比较。HS3器件表明具有很陡的电压和电流斜率,但仍能保持平滑的转换到零电流而没有过剩的拖尾电流。
     
  图3 IKW40N120H3和IKW40N120T2在额定电流下开关曲线的比较。总线电压是800V,器件温度是175℃

来源:互联网
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