如何通過優(yōu)化模塊布局解決芯片縮小帶來的電氣性能挑戰(zhàn)

在本文的第一部分——《如何通過改進IGBT模塊布局來克服芯片縮小帶來的熱性能挑戰(zhàn)》，我們提到尺寸和功率往往看起來像硬幣的兩面。當你縮小尺寸時，你不可避免地會降低功率。在那篇文章中，我們介紹了芯片縮小對熱性能的影響，以及如何通過優(yōu)化芯片位置和模塊布局來減輕這種影響?，F(xiàn)在，讓我們來看看我們?nèi)绾文軌蚋纳?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電氣性能">電氣性能。同樣，我們將以采用TRENCHSTOP? IGBT 7技術(shù)的新型1200V、600A EconoDUAL? 3模塊為例，該模塊針對通用驅(qū)動（GPD）、商業(yè)、建筑和農(nóng)業(yè)車輛（CAV）、不間斷電源（UPS）和太陽能等應(yīng)用進行了優(yōu)化。

1200V TRENCHSTOP? IGBT 7中功率技術(shù)與以前的IGBT 4技術(shù)相比，芯片縮小了約30%。芯片放置和模塊布局可以對較小的芯片的熱性能產(chǎn)生積極的影響，但它們也會影響開關(guān)損耗。

小芯片的電氣挑戰(zhàn)

在EconoDUAL? 3這樣的中等功率模塊中，需要并聯(lián)多個芯片以實現(xiàn)高模塊電流。為了充分利用芯片技術(shù)的開關(guān)性能，一個適當?shù)哪K設(shè)計是關(guān)鍵，這意味著并聯(lián)芯片的對稱性非常重要。

開關(guān)速度和損耗的一個限制因素是在IGBT開啟期間從二極管到IGBT之間的換流。圖1說明了在相同的di/dt，和相同的IGBT和二極管技術(shù)和尺寸下，兩種不同模塊布局的IGBT開啟過程。

圖1：模塊布局V1和V2的IGBT 7開啟過程，開關(guān)速度相同

當電流開始上升時，CE電壓下降。兩種不同布局之間的一個明顯區(qū)別是，電壓（Vce）在V1中顯示出一個駝峰曲線，這是由二極管的恢復(fù)過程造成的。二極管的電流需要過零，以便能夠承擔(dān)電壓。從這點開始，IGBT可以將電壓轉(zhuǎn)移到二極管上，讓自己的電壓下降，直到達到飽和狀態(tài)（Vcesat）。

由于芯片并聯(lián)，最慢的二極管決定了整體開關(guān)速度。盡管兩種布局在第一階段顯示了相等的di/dt，但V2有一個較高的反向恢復(fù)電流峰值，而V1在最后階段顯示了一個較高的反向恢復(fù)拖尾電流。這表明兩種布局的二極管恢復(fù)過程是不同的，而且它直接影響到IGBT的開通損耗和二極管的關(guān)斷損耗。為了更清楚地看到這一點，你可以比較V1和V2的模塊布局的簡化原理圖（圖2）。

比較模塊布局原理圖以改善換流能力

圖2：模塊布局V1和V2的簡化示意圖。低邊IGBT的開啟過程和反向恢復(fù)電流的電流路徑用紅色標出。

在V1中，高邊（HS）和低邊（LS）的所有IGBT和FWD被分別并聯(lián)，然后通過一個公共電感（LHS）連接。在LS IGBT的開啟過程中，所有的高邊二極管與低邊IGBT通過這個單一的公共電感進行換向，這降低了反向恢復(fù)電流上升階段的di/dt，從而導(dǎo)致載流子的提取速度變慢。

在V2中，使用了不同的物理布局。在這里，每個高邊二極管可以在它自己的電流路徑上與相應(yīng)的低邊IGBT直接換向。這導(dǎo)致了在二極管電流的過零點到反向恢復(fù)電流峰值之間的階段有一個更陡峭的di/dt。更多的電荷載流子在第一階段被提取，而二極管可以更快地建立電壓（圖3）。

圖3：在相同的di/dt開關(guān)速度下，模塊布局V1和V2的二極管關(guān)斷

當從所有二極管中提取載流子的過程是同步的，IGBT電壓可以更快地下降，降低IGBT開啟的開關(guān)損耗。最好的情況是當并聯(lián)的IGBT可以直接與對面的各自的續(xù)流二極管（FWD）換向，所有的路徑都有理想的相同電感。盡管V2中低邊和高邊的不對稱性增加了，但可以實現(xiàn)整體開關(guān)損耗的巨大減少--在相同的di/dt下約為7%（圖4）。

圖4：在圖2和圖4所示的開關(guān)條件下，模塊布局V1和V2的相對IGBT 7開關(guān)損耗。

比較1200V 600A TRENCHSTOP? IGBT 7與前一代IGBT 4的熱和電氣性

從本文的第一部分--以及現(xiàn)在的第二部分--可以看出，優(yōu)化模塊布局對散熱和電氣性能都有重大影響。但是，這在實踐中是如何應(yīng)用的呢？為此，讓我們比較一下以前的EconoDUAL? 3 1200V, 600A with TRENCHSTOP? IGBT4配備的模塊布局V1（FF600R12ME4_B72）和新的EconoDUAL? 3 1200V, 600A with TRENCHSTOP? IGBT7配備的模塊布局V2。

為了得到一個實際的比較，讓我們看看典型應(yīng)用條件下的性能（圖5）。我們在逆變器工作模式下運行模塊，采用強制空氣散熱器冷卻。為了獲得模塊的完整熱圖像，我們用紅外相機測量了IGBT和FWD的結(jié)溫。

圖5：典型仿真條件

受到二極管瞬變的限制，IGBT4模塊（FF600R12ME4_B72）是在du/dt為4.1kV/μs時測試的。IGBT7模塊是在兩個不同的開關(guān)速度--5 kV/μs和6.5kV/μs--下測量的。從圖6中的結(jié)果可以看出，IGBT4模塊的最大有效值電流為490A，而IGBT7模塊在5kV/μs的IGBT（du-dt）on下最大可輸出520A的電流，在6.5kV/μs的IGBT（du-dt）on下輸出電流可達到535A。這意味著，在典型的應(yīng)用條件下，新的EconoDUAL? 3 1200V, 600A  TRENCHSTOP? IGBT7可以提供約8%的更高的輸出有效值電流，而不會受到開關(guān)速度的限制。

圖6：測量平均芯片溫度Tvj,avg作為不同IGBT（du-dt）on的RMS輸出電流IRMS的函數(shù)

這些數(shù)字表明，即使不改變芯片技術(shù)，也可以通過模塊設(shè)計在熱和電氣方面實現(xiàn)更高的輸出電流。在應(yīng)用條件下的實際測量中，也證實了這些發(fā)現(xiàn)。

新開發(fā)的帶有TRENCHSTOP? IGBT7的EconoDUAL? 3 1200V, 600A的整體開關(guān)損耗與前一代帶有IGBT 4的產(chǎn)品相比可減少約10%至25%。此外，其靜態(tài)損耗可降低20%。測量結(jié)果證實，在150°C時，輸出電流增加了約7%，但如果使用IGBT7的過載運行溫度高達175°C，這種差異會更加明顯。

雖然芯片縮小可能會提高熱阻，但是通過巧妙的模塊設(shè)計，芯片的縮小卻不一定導(dǎo)致應(yīng)用性能下降。

參考閱讀

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

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