1200V TRENCHSTOP™ IGBT7 H7单管性能分析及其在T型三电平拓扑中的应用

/ 引言 /

英飞凌TRENCHSTOP IGBT7系列单管具有两种电压等级（650V&1200V）和三个系列（T7，S7，H7）。其中，H7系列单管针对光储、UPS、EV charger、焊机等应用进行了专门的优化，并配备了全电流EC7 rapid二极管。凭借极低的开关损耗、导通损耗和丰富的产品系列，H7单管正在成为光伏和储能应用的新星。

 

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产品特点

按照应用需求去定义产品，去掉短路能力从而获得更低的开关损耗和导通损耗，如图1所示。完美适配于不需要短路能力的光储等应用。

1200V H7系列有四种封装，电流规格覆盖40A-140A。其中140A的电流规格为市场首发，如图2所示。而英飞凌上一代1200V 高速单管HIGHSPEED3 H3的最大电流规格仅为75A。

1200V H7全系列配置全电流规格的EC7 Rapid二极管，适配整流工况。

更强的防潮和抗宇宙射线能力。

 

图1  英飞凌不同1200V单管的开关损耗和导通损耗对比
 

 

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产品系列

图2 1200V H7单管产品系列

 

标注：TO247-4pin assymetric为开尔文引脚、栅极引脚变细的TO247-4封装，有助于避免连锡、加强绝缘性能。

 

TRENCHSTOP IGBT7 H7

与HIGHSPEED H3对比

 

1200V HIGHSPEED3 H3 IGBT针对高频应用进行了优化，具有很短的拖尾电流和很小的关断损耗；因为采用了TRENCHSTOP技术，其导通损耗也很低。因此，H3单管广泛应用于光伏、储能、UPS等领域。而1200V H7单管更近一步，表现出更优越的性能。

 

下图为IKW40N120H3和IKW40N120CH7的在相同条件下的双脉冲测试结果：

 

测试电压：600V

测试电流：20A

测试温度：室温25°C

栅极电阻：10Ω

 

图3 H3开通波形 @600V，20A，25°C

图4 H7开通波形 @600V，20A，25°C

图5 H3关断波形 @600V，20A，25°C

图6 H7关断波形 @600V，20A，25°

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分析双脉冲结果可见，H7系列单管具有更快的开关速度，而且其开通损耗比H3降低22.4%，关断损耗降低了34.5%，且具有更短的拖尾电流。另外，规格书显示，IKW40N120H7的Vce(sat)比IKW40N120CH3低25.9%。
 

 

由双脉冲结果可知，1200V H7单管适用于光储中的Boost、T型三电平、DCDC等高开关频率拓扑。下面以T型三电平为例，通过PLECS软件和英飞凌官网提供的PLECS模型进行仿真：

 

图7 仿真拓扑：T型三电平

 

工况：20kW、10%过载、Vout=380V、PF=1、fsw=18kHz、风冷

 

在相同工况下，H7单管的导通损耗略低于H3，开关损耗降低接近一半，较低的总损耗会使得散热器的温度降低。但H7芯片的面积比H3小，导致的较大热阻不利于结温的降低，尽管如此，H7单管的结温仍然比H3单管低13.8°C。也就是说，可以用H7单管代替之前设计中的同电流规格H3单管，并获得更高的结温裕量。

 

随着1200V H7单管电流规格的增大，其芯片面积增大，热阻降低，带来更好的性能。下面使用75A规格的IKQ75N120CH7与100A规格的IKQ100N120CH7分别应用于30kW和40kW的T型三电平拓扑进行仿真。

 

工况：30kW、10%过载、380V输出、PF=1、fsw=18kHz、风冷

 

工况：40kW、10%过载、Vout=380V输出、PF=1、fsw=16kHz、风冷

 

可见，可以通过单颗大电流单管进行更高功率逆变器的设计，但是需要合理的散热来解决单颗TO247PLUS封装上高达80W的功耗。值得一提的是：对大电流的单管，降低其Rth(c-h)将获得更大的收益。因为大电流单管的Rth(c-h)占有更大比例。

 

1200V H7单管在光伏和储能系统中的应用

 

1200V H7系列单管完美适用于T型三电平的竖管。通常情况下，T型三电平的直流母线在700-850V之间，竖管需要选用1200V耐压的IGBT；逆变器开关频率通常较高，同时其工作原理决定了开关损耗占比较大，所以竖管需要具有低的开关损耗；光伏逆变器要求支持±0.8的功率因数，储能逆变器要求达到-1的功率因数，1200V H7系列单管配置的全电流规格EC7 Rapid二极管可以处理这种整流工况。为了增大IGBT出电流能力，50A至140A的1200V H7单管提供TO247PLUS封装，在装载更大面积芯片的同时提供了比TO247封装具有更大的散热焊盘。

 

图8 TO247-3 VS TO247PLUS-3

 

当下，光伏逆变器降本压力增大，越来越多的光伏逆变器企业开始尝试100kW及以上逆变器的大电流单管并联解决方案。目前，英飞凌1200V H7单管的100A、120A、140A规格是其竖管的最优解决方案。通过仿真和热测试的评估发现，两并联或三并联方案配合良好的散热设计，1200V H7系列单管可以轻松实现100kW+的逆变器。

 

值得一提的是，对TO247PLUS-4封装的单管，由于开尔文射极的存在，驱动回路电感减小，开关速度增快；同芯片技术、同电流规格时，其开关损耗比TO247PLUS-3降低20%。这对光伏逆变器厂家冲击更高功率规格的逆变器提供巨大帮助。但增快的开关速度会增大IGBT的关断电压尖峰，需要注意功率回路杂感的优化。

 

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 总结 

► 英飞凌1200V TRENCHSTOP7 IGBT7 H7系列单管具有多种电流规格、丰富的封装形式、极低的开关损耗、导通损耗，是光储应用中的优选型号。

► 相较于英飞凌上一代1200V H3单管，H7单管具有更好的表现，同电流规格的单管可以实现更大功率的机型。

► 多颗大电流H7单管并联可以实现100kW及以上逆变器。

► 大电流单管应用中降低Rth(c-h)会获得更大收益。