1 引言
用DC/DC 转换器代替变压器是电力电子技术关注重点之一。例如，采用再生能源的发电厂，人们已考虑采用DC/DC转换器代替变压器的背靠背(BTB) 直流输电系统。一般来说，变压器太笨重，不方便安装电极，且造价太高。另外，对牵引应用，这种方案似乎也颇具吸引力。承载几个电压段的机车，例如15kV，162/3Hz 和25kV，50Hz 等，需要变压器。如果采用DC/DC 转换器做代替，可以减小尺寸，使机车有限空间得到扩展。
通常，这些DC/DC 转换器工作在中频到高频范围，亦即几kHz 到十几kHz。但是IGBT 模块，做为DC/DC 转换器的主要元件，人们在优化、设计时，面向的是工作频率低于kHz。如果传统IGBT 模块应用于这种DC/DC 转换器，会由于中频、高频工作下开关或恢复损耗的积累造成热奔。为了便于用DC/DC 转换器替代变压器，需要对IGBT 模块进行重新设计。
最近， 人们已研发出一款用于20kHz-50kHz 的1.2kVIGBT 模块。对功率越来越高的DC/DC 转换器应用，需要高压IGBT 模块。且这些模块应该适用于中频、高频的转换。本文将介绍一种用于中、高频转换应用的、新型3.3kV IGBT 模块。
2 器件设计理念
新设计的IGBT 模块特别面向中频应用。优化了IGBT 和二极管芯片结构设计，从而减小开关损耗或恢复损耗。简单地说，就是考虑了寿命控制参数，重辐照寿命控制技术用于降低内部载流子寿命。
在本新设计理念中，二极管的反向恢复过程采用ISETCAD进行了仿真。图1 给出了二极管反向恢复波形及其电子
/ 空穴密度变化的仿真结果。新设计的二极管与传统高速二极管( 日立D- 版二极管) 相比，拖尾电流更短，见图1(a) 和图1(b)。图1(c)- 图1(f) 给出了二极管恢复过程内部电子或空穴密度变化过程，其恢复波形如图1(a) 和图1(b)。在恢复波形的各时间点，给出了电子浓度和空穴浓度。对比传统二极管和新设计的二极管可以看出，新设计的二极管电子和空穴被扫出，从而使器件恢复稳态的速度更快，这就使恢复损耗降低。
这种设计概念也适用于新IGBT 芯片，从而获得低关断损耗。
图1 谐振DC/DC 转换器模拟电路中恢复过程仿真：(a)恢复波形( 新设计)；(b) 恢复波形( 传统高速)；(c) 空穴浓度的变化( 新设计)；(d) 电子浓度的变化( 新设计)；(e) 空穴浓度的变化( 新设计)；(f) 电子浓度的变化( 新设计)
注：A，A’ 是图1(a) 所示二极管的阳极和阴极。t1 是恢复前正向电流流通时刻，t2-t8 是图1(a) 所示恢复过程各时间点
3 电特性
3.1 关断和恢复特性
新设计的IGBT 芯片和二极管芯片安置在高绝缘封装中，本文是针对1200A/ 3.3kV IGBT 模块。图3 给出了新设
计IGBT 模块的关断波形和恢复波形。如图3 所示，新设计IGBT 模块的关断波形dv/dt 更高，恢复波形的拖尾电流更低。这些波形导致低导通损耗和恢复损耗特性更好。
3.2 折中与3 级逆变仿真
图1 比较了新设计的IGBT 模块与标准3.3kV IGBT 模块( 日立E2- 型IGBT 模块) 的折中曲线。由于采用了寿命控制，与标准IGBT 模块相比，新设计的模块关断损耗和恢复损耗降低了。与此相反，Vce(sat) 和VF 增加了。通过降低开关损耗和恢复损耗，新设计的模块将可用于双向应用。
与双向应用一样，新设计的IGBT 模块也适用于超过1kHz 的逆变应用。图5 给出了采用标准IGBT 模块和新设计
模块的3 级逆变器损耗的仿真结果。当载波频率超过1kHz，新设计的模块比标准模块的损耗要低。同时，新设计的模块在2kHz 时，损耗明显低于标准模块。这种差异随着载波频率的增加会更大。在逆变应用中，当载波频率很高时，新设计的IGBT 模块与标准模块相比，表现出更佳适用性。
4 谐振DC/DC 转换器应用
4.1 初级端IGBT
为了评估这种新型二极管适用于双向和中高频应用的程度，在谐振DC/DC 转换器模拟电路中测试了开关和恢复特性。图6 给出了谐振DC/DC 转换器电路拓扑和模拟测试总图。单周期损耗整体波形如图7(a) 所示。该工作模式模拟谐振DC/DC 转换器的初级端IGBT。在该波形中，模拟了由谐振DC/DC 转换器产生的Icp 和关断电流。在此开关过程，假定开关频率6kHz。通常，传统IGBT 模块工作在硬开关条件下。相反，工作在中等频率范围的谐振DC/DC 转换器，通常建议工作在软开关模式以减小开关损耗。在图7(a) 的开通过程，模拟了零压开关模式(ZVS)，即在导通前VCE 已变为0。因此，开关损耗与导通损耗和关断损耗相比很低。根据测试结果，开通损耗占总损耗的3%。在关断过程，是近零电流开关(ZCS) 模式关断。
图7(b) 把传统高速模块( 日立D- 型 IGBT，MBN1200H33D) 和新设计的IGBT 模块作对比。新设计的模块与传统高速模块相比，关断损耗低25%，总损耗低15%。关断波形的展开图如图8 所示。波形中存在一个表征充磁电流的关断电流和近零电流，因此，表现为ZCS。新设计的IGBT 模块与传统高速模块相比，dv/dt 更高。这种波形会使谐振DC/DC 转换器的关断损耗降低。
4.2 用于6.5kV IGBT 设计
为了使电子元器件更小，一种方法是使用更高电压的IGBT。与采用3.3kV 的模块相比，6.5kV IGBT 可以减少元件个数与尺寸。另外，通过将3.3kV 与6.5kV 模块组合，可实现若干种DC/DC 转换器电路。与3.3kV IGBT 模块相同，传统6.5kV IGBT 模块优化时，适用于低频和硬开关工作。为了适应中频和软开关工作，与3.3kV IGBT 相似的设计概念也应用在6.5kV IGBT 模块中。
图9 给出了6.5kV 新设计IGBT 模块和传统IGBT 模块( 日立E2 型，MBN500H65E2) 在DC/DC 转换器模拟电路中的关断波形。与标准IGBT 相比，新设计的IGBT 的损耗低25%。我们的新设计概念，不仅适用于3.3kV IGBT，还适用于其他电压级别的IGBT。
4.3 4 次级端二极管整流器及其与SiC-JBS 对比
图10 给出了恢复过程的整体波形。这一工作模式模拟谐振DC/DC 转换器的次级端二极管整流器。除了传统高速模块和新设计模块，我们还评估了装配着SiC- 肖特基二极管(JBS)的3.3kV / 200A 的SiC 混合模块。之所以在典型电路中有必要评估SiC-JBS，是因为在DC/DC 转换器中，用SiC 器件代替硅器件是减小转换器的必由之路。
图10(b) 给出了典型DC/DC 转换器电路单周期工作的总能耗对比。新设计模块与传统高速模块比，总能耗降低
47%。特别是恢复损耗降低迅速。与传统高速模块相比，新设计模块的恢复功耗降低70% 以上。根据我们的结果，SiC-JBS的能耗最低。与传统模块相比，SiC-JBS 能耗下降率为58%。
图11 给出了反向恢复过程的扩展波形。新设计的IGBT模块恢复特性显然比传统高速模块更快，这与图1 中的仿真结果相同。因此，恢复损耗下降率达到70%。对于SiC-JBS，由于其结构特征，恢复电流近乎是零。这种情况恢复功耗最低。
5 结论
基于通过寿命控制优化快速扫出内部载流子的理念，新设计的3.3kV IGBT 模块具有快速开关和快速恢复特性。在谐振DC/DC 转换器模拟电路中，与传统高速模块比，初级端IGBT 的损耗降低15%，次级端二极管的损耗降低47%。通过降低IGBT 和二极管的损耗，新设计的模块将适用于双向和中频应用，例如DC/DC 谐振转换器。这一设计概念也可用于6.5kVIGBT 和其他电压等级器件。因此，可以考虑多种中频应用电路拓扑。另外，我们还在模拟电路中评估了SiC-JBS 二极管。SiC-JBS 表现出最低功耗，对未来10kHz 以上的高频应用，会带来极大好处。不管怎么说，我们期待新设计概念适用于中频应用，在SiC-JBS 出现在功率半导体市场前是一个理想的解决方案。