摘要:医疗仪器、焊机和等离子切割机用电源的市场在不断扩大，这些设备工作在20~50kHz或更高的高频范围。本文讲述了近来开发的、用于这一高频领域的IGBT模块的设计理念。由于在这些应用中工作频段为高频范围，因此器件的开关损耗（开通、关断以及反向恢复损耗）是主要的功耗。通过降低背P+层载流子密度（应理解为掺杂浓度——译者注），减小IGBT芯片中元胞的重复步距，并优化IGBT/FWD通态电压与开关损耗之间的折衷关系，可以得到更低的开关损耗。因而，这种新开发的IGBT模块的总功耗比标准IGBT模块（第5代系列）降低了25%。使用这种模块，能进一步提高效率、实现系统的小型化。

1引言

如今节能的重要性日益显著，将IGBT模块用作开关器件的应用领域也不断拓展。为提高电能变换器的效率，研究者提出了很多新型拓扑电路，因而市场上对IGBT模块的需求也随之不断攀升。另一方面，由于IGBT的性能已经接近“硅限”，所以需要一种面向应用的IGBT模块设计。就是说，我们要专门为这些电路和应用而优化IGBT的特性。

我们开发了一种适合高频开关应用（如焊机、感应加热和医疗仪器用电源）的新型高速模块。为实现系统的高效率和小型化，这些应用的开关频率设定在20~50kHz ^{[2] [3]}。而在典型情况下，标准IGBT模块的优化，所针对的载波频率却是10kHz或更低。通常，在IGBT/FWD芯片的通态压降和开关损耗之间有一个折衷关系。高速模块在进行性能折衷时，是让通态电压偏大，以换取偏低的开关功耗，从而能在高频应用中实现最低的总功耗。

本文介绍了新开发的IGBT模块的设计理念。由于开关频率范围是20~50kHz或更高，因此在这些应用中开关损耗（开通、关断以及反向恢复损耗）是主要的功耗。

2高开关频率应用电路

焊机和感应加热的典型电路图如图1所示。该电路由功率因数校正斩波器和半桥直流-直流变换器构成。在这个电路中，半桥电路采用了一个二合一模块，功因校正电路采用了一个斩波器模块。其中，半桥电路要工作在高频，以降低输出纹波电流。

图1 焊机电路图

图2 半桥直流-直流整流器中的IGBT电流和V_CE波形

图2给出了半桥变换器中IGBT模块的电流和电压波形。其中，T是开关工作的周期，T_F是FWD的续流时间。这个续流时间很短，因为它是由变压器漏感引起的。此外，当IGBT开通时，IGBT的V_CE已经变为零，所以半桥中的开通损耗小至可以忽略（零电压开关）。因此，在这个电路中，我们只对IGBT芯片提出低功耗要求。至于FWD，使用一个电流容量较小、具有标准开关速度的器件就足够了。

3高速IGBT模块的设计

我们为此研发了一种适用于高频领域的新型IGBT模块。本节将介绍其IGBT/FWD芯片的设计理念及其低热阻封装。

3.1 高速IGBT芯片的设计

在IGBT的开发中，我们非常关注通态电压（V_CE(sat)）和关断损耗（E_off）之间的折衷，如图3所示。在高于20kHz的高频开关应用中，由于开关损耗在模块的总功耗中份额已经占优，所以降低开关损耗就变得非常重要。为了使20~50kHz开关频率下的总功耗降到最低，我们在设计IGBT芯片时将其性能设定在折衷曲线中V_CE(sat) 偏高、E_off偏低的位置上。

图3 IGBT的折中特性

为降低开关损耗，我们采用了两项技术：

（1）降低背面P+层的载流子密度（应理解为掺杂浓度，下同——译者注）；

（2）减小元胞的重复步距。

图4给出了IGBT关断过程中简化的I_C和V_ce波形图。通过优化载流子密度，可以更容易地抽取残余的过剩载流子。载流子密度的降低减小了拖尾电流，并且使IGBT的电流下降得更快，这样就减小了IGBT电流下降过程中的关断损耗。然而，如图3所示，随着关断损耗的减小，通态电压V_CE(sat)会增大。此外，通过优化反向传输电容（C_res）和输入电容（C_ies）的比率，可以缩短V_ce的上升时间，从而减小了V_ce上升过程中的关断损耗。采用上述两种改进措施使总关断损耗大为减小。图6比较了标准IGBT模块和新开发的高速IGBT模块的关断波形。后者的拖尾电流几乎减为零，并且V_ce上升时间变短。表1给出了标准模块（富士第五代U4系列模块）与新开发的高速IGBT模块的通态电压和开关损耗的比较。高速IGBT芯片的关断损耗几乎降至标准模块的一半，但V_CE(sat)则从2.1V增至4.0V。

图4 关断波形的改进

图5 高速IGBT芯片的横截面图

图6 关断波形的比较（200A/1200V模块）I_C=200A, V_dc=600V