IGBT5的产品基本特点以及相关的导通和开关电气特性

引  言

在风力发电、高压直流输电系统和工业传动等多个应用领域，为了满足用户对更高可靠性、功率密度增加和稳定性的要求，大电流功率模块成为了新的发展趋势。伴随着功率密度的提升，所引起的开关损耗等问题会导致 IGBT 器件过热，工作寿命缩短甚至失效。基于此，英飞凌结合创新的IGBT5芯片和.XT 技术，设计出新一代PrimePACK™ 功率模块。本文将介绍IGBT5的产品基本特点以及相关的导通和开关电气特性。同时，结合实际客户应用需求，进行系统功率测试突显新一代产品带来的优势和价值，并推荐新能源应用中的基本系统方案。

IGBT5介绍

IGBT5 芯片采用沟槽栅-场终止（Trench-FieldStop）技术，最高工作结温Tvj.op达到175 ℃，芯片厚度比IGBT4减少10um，单芯片IGBT5额定电流可以达到300A，搭载IGBT5的PrimePACK™ 3+ 模块采用双交流母排端子结构，相比传统的PrimePACK™模块额外增加了一个交流功率端子，降低了电流在输出端子部分的发热量的同时增加了模块电流密度。

新PrimePACK™ 功率模块有两种典型的封装形式，即PrimePACK™ 2和PrimePACK™ 3+。相比现有标准IHM 大功率模块封装，优势在于更低的杂散电感和接触热阻，更高的工作结温。在1200V和1700V条件下完全满足污染等级3条件下的电气间隙和爬电距离要求，模块载流能力强且机械强度和抗振性能良好。在保持输出电流不变的情况下，模块寿命延长十倍，应用系统的输出功率提高30%。此外，保持输出功率不变的情况下可以降低冷却要求。PrimePACK™ 3+封装外形尺寸与前一代的PrimePACK™ 3基本相同，多个模块可以并排，容易实现更高的系统功率输出。

图1（a）所示为新PrimePACK™ 3+模块，内部由6个DCB并联组成，内部等效杂散电感约为10nH。模块半桥拓扑封装的电流等级扩充至1800A，相比IGBT4代模块提升了28%。图1（b）为由4个DCB并联构成的新PrimePACK™ 2模块，额定电流容量最高达到1200A，电流密度增长33%。两种封装根据功率差异性可适用于不同系统中，充分发挥最优的性能。

图1（a） PrimePACK™ 3+ IGBT5模块

图1（b） PrimePACK™ 2 IGBT5模块

电气特性

因为采用了更薄的芯片厚度和优化的芯片结构，相比前一代芯片，IGBT5的导通压降明显降低。在相同的PrimePACK™ 模块封装下对1700V IGBT5 P5和 IGBT4 P4进行测试，比较在25℃以及两款芯片各自最大允许工作结温下的输出特性曲线。从图2中在Tvj.op=25℃时，相同的输出电流，IGBT5 P5集电极与发射极电压比IGBT4 P4更低；工作在最高结温时，即使相差25℃，IGBT5 P5仍然具有更低的饱和压降，充分证明了特性的改善。饱和压降的降低，使芯片在输出电流时承受的电压越小，产生导通损耗减少。

图2  1700V IGBT5-P5和 IGBT4-P4输出特性曲线在25度以及最大允许工作结温下比较

IGBT5要保证重复开关更高电流1800A，甚至RBSOA条件下需要安全关断2倍电流，这对IGBT的关断软度提出了更高要求。IGBT5芯片关断特性在IGBT4基础上进行设计，关断损耗进一步优化，同时关断软度特性高，拥有更长的关断时间和较低的电压尖峰。图3为FF1800R17IP5在2倍额定电流，即Ic,nom=3600A情况下的关断波形。

图3 2倍额定电流Ic,nom=3600A关断波形

图4是在Ic,nom=1800A条件下的关断电压尖峰随门极电阻的变化情况。随着关断电阻增加，关断损耗升高；在相同关断电阻的条件下，升高结温则会使关断特性会变软，电压尖峰明显降低。此外，值得一提的是电压尖峰值在较小或较大关断门极电阻情况下均较低。

图4 Vcep与关断电阻Rgoff关系

模块应用和方案

系统测试

为了分析和验证新一代PrimePACK™功率模块总体性能，实验室采用ModSTACKTM HD演示平台分别搭载测试对象FF1400R17IP4以及FF1800R17IP5（图5）。该平台是基于PrimePACK™模块封装进行布局设计，主要应用于逆变器驱动及风电电机侧设计中。

图5  两款模块的测试平台

相关测试条件为Rgon=0.1Ω，Rgoff=0.68Ω，开关频率f=2kHz。图6所示同一平台下交流电流输出结果，可以看出，1800A模块FF1800R17IP5对比1400A模块FF1400R17IP4在结温增加的同时，电流密度增长了30%。在结温发挥到极致的情况下，搭载IGBT5的功率模块，电流密度甚至能增长43.6%，RMS有效值达到1200A。

图6 IGBT4与IGBT5在同一平台下的测试结果

应用方案

1.光伏电池板

PrimePACK™模块在光伏应用中模块可支持对最新的1500V 太阳能电池板进行设计（如图7），使之具有良好的FIT率。采用带3个PrimePACK™ 2模块的三电平NPC1逆变器结构，功率密度进一步增加30%。在无模块并联的情况下，单个逆变器输出功率也能达到625kW，如此高的功率密度用在三电平的方案中充分体现了该模块的性能优势。

图7 PrimePACK™ 模块在PV板设计中的应用

2.  风力发电

在海上风电项目上，风力发电机组向大型化发展并结合电网输送电力给用户。风电变流器可以改善风电系统的工作状况，减少发电机损耗，提升风能利用率。因此，用于变流器的设计的半导体模块至关重要。应用IGBT5和.XT技术的新PrimePACK™模块对比前一代产品已拓展应用至3.5MW风力发电机组中及相关直驱产品中，如图8，风柜数量由6个减少至4个，变流器尺寸缩小，有利于减少风电系统的损耗。新模块另整个系统更加简洁，高效地将发电机的变频输出转换为适合相应地区电网的固定频率。

图8 风电变流器比较

结  语

为了适应更大电流，更高规模的实际应用系统，本文主要介绍了IGBT5和创新.XT技术的特点和优势。IGBT5在导通损耗以及电气特性方面的性能提升, 不仅降低了静态和动态损耗，在工作结温升高的同时使芯片功率密度和效率得以改善。而.XT模块工艺技术实现了耐高温和大电流的封装，并通过增强散热设计提高了功率循环周次，能延长系统的寿命，同时降低了电磁干扰的影响。将搭载IGBT5和.XT技术的全新PrimePACK™ 模块应用在1500V光伏系统中，单个逆变器输出功率可达625kW；应用在风力发电中，可以将3MW风力发电机组扩展至3.5MW。