論文|1200V IGBT7和Emcon7可控性更佳，助力提升變頻器系統(tǒng)性能（下）

上一節(jié)《論文|1200V IGBT7和Emcon7可控性更佳，助力提升變頻器系統(tǒng)性能（上）》中，我們剖析了IGBT7以及Emcon7的芯片技術(shù)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)思路，今天我們對比IGBT7與IGBT4功率模塊的性能，看一下在系統(tǒng)層面，IGBT7性能究竟有多高的提升

IGBT4和IGBT7功率模塊的性能比較

本節(jié)中，我們將利用IGBT7和Emcon7研究功率模塊的性能。為此，我們將使用仿真工具（IPOSIM）從逆變器運(yùn)行角度分析IGBT和二極管的性能。如無另外說明，本部分將重點(diǎn)分析無銅基板功率模塊，即Easy1B和Easy2B。仿真過程中，參考以下輸入參數(shù)：開關(guān)頻率f_SW、輸出頻率fo、環(huán)境溫度TA、調(diào)制因子以及功率因素cos（φ）。除此之外，還利用諸如散熱器到環(huán)境之間的熱阻（R_thHA）、IGBT熱阻（R_thIGBT）和二極管（R_thDiode）熱阻等系統(tǒng)特定參數(shù)來確定輸出電流I_RMS。如無另外說明，則使用下列工作參數(shù)（可看作通用電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用的典型參數(shù)）：f_SW = 2.7kHz, m = 1, fo = 50Hz, T_A = 50°C, R_thHA = 1.8K/W，IGBT和二極管分別使用cos（φ）= 0.85和-0.85。

圖9 相同芯片面積的第四代和第七代技術(shù)的I_RMS與f_SW的關(guān)系。為便于計(jì)算，T_J,max= 150 °C。大圖參考芯片面積為75-A IGBT4/EC4 ，插圖參考芯片面積為25-A IGBT4/EC4。

圖9比較了T_J,max = 150 °C時，芯片尺寸相同的IGBT7和IGBT4和二極管的對應(yīng)不同f_SW的有效值電流I_RMS。為便于參考，使用IGBT4和EC4的芯片尺寸為基準(zhǔn)。I_RMS為T_J為150 °C下允許的最大電流。對于75A等效芯片面積，IGBT7在f_SW= 0時輸出電流I_RMS = 56A ，比IGBT4高20%。隨著f_SW的增加，IGBT4和IGBT7的I_RMS均下降，IGBT7相對于IGBT4的優(yōu)勢也隨之減少。f_SW ≈ 12kHz時，可觀察到交叉點(diǎn)。在給定工作條件下，只有在f_SW高于12kHz時，IGBT4的I_RMS高于IGBT7。在EC7方面，情況相當(dāng)。f_SW= 0時，EC7的I_RMS = 46A，比EC4的最大I_RMS要高15%。二極管的曲線交叉點(diǎn)在f_SW ≈ 16kHz。圖9的插圖顯示了25A等效芯片面積下相同的計(jì)算方法。數(shù)值變化與預(yù)期相符，可得出相同的結(jié)論。

圖10 在上述條件下第四代和第七代技術(shù)的ΔT_J、T_J和I_RMS

圖10顯示75A等效芯片面積下的結(jié)溫波動VS f_SW，其計(jì)算所得I_RMS如圖9所示?？梢钥闯?，IGBT7的ΔT_J明顯小于IGBT4。EC7和EC4也是如此。盡管其差異看似很小，僅為幾開爾文，但從功率循環(huán)能力的角度來講，它可為器件壽命帶來非常顯著的提升。圖10的插圖顯示了I_RMS = 30A時IGBT和二極管所允許的最大器件溫度。這里考慮了IGBT7較高的暫態(tài)允許最高結(jié)溫T_J,max。因此，在T_J,max=150°C的限制下，IGBT4和EC4只能在f_SW=4kHz工作，而在175°C的最高工作溫度限制下，IGBT7和EC7則可分別在6和8kHz下輕松運(yùn)行。綠、藍(lán)和黑線突出顯示了T_J,max對可行的I_RMS的影響。IGBT4和EC4受到T_J,max=150°C的限制，在f_SW=0時，最大I_RMS為40A，其中EC4是主要限制條件；在IGBT7的限制條件下，IGBT7和EC7的暫態(tài)工作溫度達(dá)175°C，f_SW=0時，I_RMS可超過55A。因此，使用相等的芯片尺寸和最大芯片溫度，在相同工作條件下，后者輸出電流可比前者高出37%以上。

考慮到 IGBT7和 EC7 的功率密度更高，圖11顯示了不同封裝中的功率集成模塊（PIM）拓?fù)涞念~定電流。對于IGBT7，Easy1B, Easy2B和Econo2封裝的最大額定電流分別為25A、50A和100A，與IGBT4的I_nom相比，Econo2封裝的功率密度至少增加33%， Easy1B 封裝增加66%。圖中還特別繪制了PIM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的典型I_RMS與I_nom，以便說明可能增加的功率密度?；谠撉€，可能的功率密度增加變得更加可視化。

圖11 PIM拓?fù)涞念~定模塊電流和最大逆變器輸出電流I_RMS（典型I_nom）

然而，模塊級別上增加的功率密度也許并不會直接給典型應(yīng)用帶來額外優(yōu)勢?？赡苄宰罡叩姆椒ㄊ菍?shí)現(xiàn)框架尺寸擴(kuò)展，即在同一尺寸的逆變器外殼中，實(shí)現(xiàn)更高的逆變器額定電流。同時，必須結(jié)合考慮與參考模塊相比增加的R_thHA等參數(shù)，來評估是否可以達(dá)到目標(biāo)輸出功率。具體地講，就是在Easy1B 封裝中實(shí)現(xiàn)25A PIM ，這需要使用典型Easy1B（非Easy2B）的R_thHA，達(dá)到與Easy2B 25-A PIM相同的輸出功率。受逆變器外殼尺寸限制，散熱器的最大尺寸也會受限。Easy1B封裝的R_thHA比Easy2B大25%左右，這對保證目標(biāo)功率提出更大的挑戰(zhàn)。

圖12 條形圖：IGBT4和IGBT7 I_RMS,max與R_thHA。線條圖：R_thHA已知條件下，IGBT4（綠色方塊）和IGBT7（黑色方塊）運(yùn)行I_RMS,max = 25 和 38 A （紅線和橙線）所需的I_nom

圖12所示條形圖，展示了IGBT4和IGBT7最大可能的I_RMS,max和R_thHA的關(guān)系。條型圖顯示了I_nom為10-75A（IGBT4和EC4）和10-100 A（IGBT7 和 EC7）時的PIM拓?fù)?/span>I_{RMS,max。}I_RMS,max明顯隨R_thHA的降低而增加。此外，如果T_J,max= 150°C ，IGBT7和EC7可完全取代IGBT4和EC4。較高的最大額定電流可直接帶來更大的優(yōu)勢，即上文所述的IGBT7的100A和IGBT4的75A。

若IGBT7在175°C下運(yùn)行，則可實(shí)現(xiàn)額外優(yōu)勢。如圖12右側(cè)所示。紅線和橙線分別表示25 A和38A I_RMS分別所需的最小I_nom。要實(shí)現(xiàn) 25A I_RMS可利用IGBT7 10A PIM，它的R_thHA為1.5K/W，第四代則須為35A PIM。I_RMS= 38A時，IGBT7技術(shù)的優(yōu)勢更為明顯。IGBT7 35A PIM 的R_thHA為1K/W，允許在38A I_RMS下工作，而第四代則須為75A PIM。

結(jié)語

本文對IGBT7和Emcon7與IGBT4及Emcon4進(jìn)行了全面的比較。分析了IGBT和二極管的靜態(tài)和動態(tài)性能。結(jié)果表明，與IGBT4相比，IGBT7的靜態(tài)損耗顯著降低，并且動態(tài)損耗沒有顯著增加?？傊?/span>IGBT和二極管針對較慢開關(guān)的應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，其dv/dt在2-10kV/μs之間。在動態(tài)和靜態(tài)損耗方面，IGBT7和Emcon7可完全替代IGBT4及Emcon4，并在應(yīng)用過程中帶來額外的性能優(yōu)勢。

在功率模塊方面，本文圍繞功率模塊性能和輸出功率對IGBT7展開了研究。IGBT7和EC7的分析結(jié)果顯示，在同樣的工作條件下，在最大器件溫度150°C時，IGBT7可多輸出20%的電流。由于IGBT7支持最高結(jié)溫在175°C時的暫態(tài)過載運(yùn)行，因此輸出功率可增加66%。本文基于這些結(jié)果，提出兩個應(yīng)用方向：第一，對于給定的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)可行的最大額定電流進(jìn)行配置，可實(shí)現(xiàn)在相同封裝尺寸下，模塊電流等級的提升。如有必要，可利用過載最高結(jié)溫T_J = 175°C的特性；第二，如使用相同芯片尺寸的IGBT7替代IGBT4，則應(yīng)用壽命顯著增加。

原文發(fā)表于 PCIM Europe 2018

作者：Christian R. Müller，英飛凌科技股份公司

A. Philippou, C. Jaeger， M. Seifert，英飛凌科技股份公司

A. Vellei and M. Fugger，英飛凌科技（奧地利）公司

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