应用于中压变流传动的3.3kV IGBT3模块

电路

摘要
相对于第二代NPT芯片技术，最新的3.3kV IGBT3系列包含两款优化开关特性的L3和E3芯片，其在开关软度和关断损耗之间实现折衷，以适应不同的应用。最大工作结温可升高至150℃，以便提升输出电流能力。本文主要对HL3和HE3在静态、开关特性及其损耗和安全工作区方面进行了比较。同时通过一些实验室测试来突出和评估它们各自的优势。还进一步讨论了其交流传动中的IGBT应用。
1 导言
随着大容量中压交流传动设备需求的不断增大，3.3kV IGBT越来越多地被用作功率转换器件，尤其是在1140V和2.3kV的矿用变频系统中。其使整个驱动装置变得更加紧凑和简化。相对于1700V IGBT，更少的器件数量还可提升系统的可靠性和灵活性。3.3kV IGBT应用中所面临的一个关键问题是如何有效降低电压过冲。IGBT换向回路的杂散电感对电压过冲的影响很大。不过，IGBT自身的关断特性实质上也决定了电压过冲峰值。较低的dIc/dt 可带来较低的峰值电压。芯片技术发展的方向就是来改善开关软度和延长拖尾电流。不过，这会带来较高的关断损耗。较高的开通损耗可能是由软FWD恢复特性引起的。因此，要想使驱动系统具备运行效率高和输出电流强，需要获得采用较低的开关频率。此外，对于驱动设备而言，还要求较低的电流谐波、完美的输出电压波形和紧凑的尺寸。为满足这些需求，3.3kV IGBT必须具备较高的开关频率。应大幅降低相关的开关损耗，以获得较高的有效输出电流。因此，需要对IGBT的关断特性进行优化，达到适用于较低损耗的快速dIc/dt。但系统很容易会发生振荡，并且硬开关行为会导致严重的电磁干扰问题，因此需将换向回路的杂散电感降至最低限度，从而确保达到较低的开关损耗和软开关特性，满足驱动市场的不同需求。
目前，英飞凌推出两款适用于最新 3.3kV IGBT模块的沟槽栅-场终止L3和E3芯片。该模块的底板尺寸为130×140mm或190×140mm。图1分别显示了L3和E3芯片的工作区。
图1。HL3和HE3的工作区
图注：Low on state losses: 低通态损耗；Soft: 软关断特性；Frequency：频率；Stray inductance: 杂散电感；Low switching losses: 低开关损耗；Fast: 快开关特性
快速型“E3”具备高达2kHz的高开关频率，相对于L3芯片，其关断损耗约降低30%，导通损耗略微升高。由于具备较高的关断dIc/dt，因此要想限制电压过冲，需要较低的杂散电感。软型“L3”可满足软开关过程的需求。允许换向回路的杂散电感高达350nH。在某些情况下，由于具备低过冲电压，可去除缓冲电路。此外，还允许具备较高的直流链路电压。与3.3kV IGBT结合使用的FWD以 Emcon技术为基础[1]。FWD的反向恢复特性会影响IGBT的导通行为。FWD的性能与IGBT开关要求密切吻合。
为进一步改进3.3kV IGBT3芯片的性能和现有IHM封装的兼容性，开发了全新的 IHM-B封装（图2）。功率端子和内布局经过优化，可确保出色的热性能、电气性能和机械强度［2］。相对于IHM-A，热冲击试验（TST）和功率循环（PC）功能大幅提高，以实现高可靠性。工作结温提高至150℃，贮存温度可降至-55℃。3.3kV IHM-B封装优势与沟槽场芯片技术结合在一起，使客户驱动产品变得更出色、更有价值。

图2. IHM A与IHM B封装的对比

2 静态特性
3.3kV IGBT3芯片将沟槽栅用作门极，引起发射极附近载流子的增多。相对于平面栅器件，其饱和电压大幅降低。改变沟槽栅尺寸和角度，可在L3和E3芯片的关断和导通行为之间进行折衷。图3a分别显示在25℃、125℃和150℃结温条件下，3.3kV HL3和HE3 IGBT的导通电压对比情况。在1500A相同标称电流条件下， HE3的饱和电压约比HL3高出2%，而沟槽栅-场终止芯片的饱和电压相对于平面结构降低40%以上。此外，在整个电流范围内，似乎呈正温度系数关系。这将有助于并联模块之间的静态电流共享。

图3a. HL3和HE3模块的IGBT饱和电压

图3b分别显示在25℃、125℃和150℃结温条件下Emcon3的正向电压。在Tvj等于125℃，标称电流为1500A情况下，Emcon3 HE3的正向电压比HL3高出25%。在整个电流范围内呈负温度系数关系，Emcon3 HL3的标称电流低1.3倍。这些特性是由相应的IGBT开关优化的性能决定。

图3b HL3和HE3模块的FWD正向电压

3 动态特性
为对比HL3和HE3模块的开关特性，在相同条件下（Vdc=1800V、Icnom=1500A、 Rgon=1.0ohm、Rgoff=2.8ohm、Cge=330pF、 VGE=+15V/-8V、Lδ=250nH）进行相关的对比测试。选择FZ1500R33HL3和FZ1500R33HE3器件作为测试对象。

3.1  IGBT部分
图4显示在125℃壳温条件下的实际关断波形。红线为Ic （500A/div）、绿线为VGE （5.0V/div）、蓝线为VCE （500V/div），黄线为开关能量。表1根据相关开关参数（dIc/dt、dv/dt、Eoff 和 VCEmax）进行了归纳。

图4a. FZ1500R33HL3的关断波形

图4b.  FZ1500R33HE3的关断波形
表1

由于具备软拖尾电流，因此HL3模块的关断过程很平滑。较低的dIc/dt可使HL3 的低压过冲高达 2.31kV。其关断损耗相对于HE3约高出18%。

图5显示在125℃壳温条件下的导通波形。表2根据测试结果，对相关开关参数进行了归纳。

图5a FZ1500R33HL3的开通波形

图5b. FZ1500R33HE3的开通波形
表2

IGBT导通过程受FWD反向恢复过程特性的影响。一种可能性是，采用不同的外部栅极电阻控制导通过程。如表2所示，HL3的损耗比HE3约高出37%， IGBT dv/dt由FWD恢复速度决定。

3.2  FWD部分
图6显示3.3kV/1500A FWD在125℃壳温条件下的反向恢复过程波形：红线是IF （500A/div），蓝线是VF （500V/div），黄线是反向恢复能量。
根据测试结果，表3将HL3和HE3的不同FWD之间的dIF/dt、IRM和Erec、trr 进行了对比。显然，HL3的恢复过程要比HE3的恢复过程慢。利用s=tf/ts （trr=tf+ts）定义的HL3软度指数是4.653，高于HE3 1.613的软度指数。因此，HL3 FWD 的Erec 约比HE3 FWD高60%。


图6a FZ1500R33HL3的FWD反向恢复过程

图6b. FZ1500R33HE3的FWD反向恢复过程
表3

4 IGBT安全工作区
4.1  RBSOA
通常情况下，将关断重复脉冲电流限制为IGBT标称电流的两倍。这意味着，1500A IGBT能够关断3000A的最大电流。由于模块内部的电源电路和键合引线存在杂散电感，在关断过程中，集电极和发射极之间的峰值电压必须严格限制在 RBSOA之内。相对于KF2C和KL2C模块，HL3和HE3经过改进，扩大了安全工作区范围（如图7所示）。

图7.HL3、HE3、KF2C和KL2C的 RBSOA

图8显示HL3模块3000A电流的关断波形：绿线是VGE （5V/div）、红线是Ic （1000A/div）、蓝线是VCE （500V/div）。在2.1kV直流链路电压条件下，RBSOA安全范围内的过冲电压约达到 2.54kV。

图8. 3000A关断电流的波形

此外，高压IGBT的故障率也受宇宙辐射的影响。1500A HL3和HE3模块在相同的100 FIT水平下，它们的直流稳定电压由1800V （第二代模块）提高至2100V。如果忽略宇宙辐射对多数应用的影响，在1500V典型直流电压条件下，可获得40%的安全裕量。

4.2  SCSOA
根据图9所示用线性描述方法获取的转换特性，IGBT能够限制集电级的短路电流。该输出电流与栅极电压和结温相关。因此，在15V给定栅极电压和150℃结温条件下，最大短路电流约为5600A。IGBT在该点将由饱和状态转换成有源放大区。转换速度受短路电流的上升斜率影响。与此同时，集电极-发射极电压开始升高直到直流母线电压。由于存在密勒效应，这对于短路控制而言十分危险。如果栅极电压被钳位至15V，可确保在该区IGBT在10微秒之内被关断。

图9. HL3模块的转换特性

图10显示1500A HL3模块在2.2kV直流电压条件下的“硬”短路波形。由于实验设备系统存在较高杂散电感，因此，关断峰值电压触发钳位保护，导致在辅助端子之间测量的栅极电压被充电至20V。这种情况下很容易发生栅极振荡。

图10. “硬”短路模式

在“软”短路模式下，在饱和区内不允许关断额定电流两倍的电流，这可能超出IGBT RBSOA。因此，在发生短路时需要等待，直至到达有源放大区。要想有效防止IGBT受损，应对IGBT VCE 实施监控，确保在10微秒以内实现关断。通常情况下，IGBT模块在给定工作结温条件下，在出现短路模式之前，已经运行很长一段时间。

5 优化的栅极驱动
通常情况下，3.3kV IGBT模块的集成式栅极驱动是针对高成本交流驱动应用进行定制的。不能通过自由修改相关参数，获得良好的IGBT开关特性。有源适配板与驱动电路结合在一起将成为一个不错的选择。这将为IGBT并联运行提供出色的动态电流共享。图11显示功能框图和有关实验设置的相关图片。利用适用于3.3KV IGBT驱动的特殊直流/直流转换器可获得较高的10.2kVAC隔离功能。驱动器内核的主要功能是实现控制信号传输、集电极-发射极饱和电压短路保护和故障输出。有源适配器电路板负责提供驱动门极所需要的峰值电流。


图11 3.3kV驱动级的功能图

6 IPOSIM仿真
采用KF2C和KL2C第二代芯片的3.3kV IGBT模块在推出后的这几年时间里已经广泛应用交流传动设备中。图12显示了在下述条件下的IPOSIM基准仿真比较结果：Vdc=1800V、fo=50Hz、M=1.0、 PF=0.85、Ta=40oC、Rthha=0.02K/W。当fs较低时，HL3的输出电流功能优于KF2C。当fs较高时，HE3优于KL2C。由于开关频率的不断提高，HE3将始终优于HL3。这是因为HE3的开关损耗远低于HL3，但在Tvj.op=125℃条件下，HE3的饱和电压约为0.05V，略高于HL3。

图12. 基准

7  结论
3.3kV HL3模块具备软的关断特性和较高导通损耗（受软且长的FWD反向恢复过程影响）。由于开关频率的提高，HE3模块将具备比HL3更出色的输出电流功能。这两种模块都具有很强的短承受能力特性和宽的RBSOA工作区间。要想为交流传动装置选出最合适的模块，需充分考虑具体的应用要求。

8  参考资料
[1] J.Biermann,K.-H.Hoppe, New 3300V High power Emcon-HDR Diode with High Dynamic Robustness, PCIM 2006.
[2] Thomas Schutze, High power IGBT modules with improved mechanical performance and advanced 3.3kV IGBT3 chip technology, PCIM 2007.
[3] M.Hierholzer, Improved characteristics of 3.3kV IGBT module, PCIM 2005.
[4] Volke Andreas, AN 1ED500E33-SP, 2008.06

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