4.5kV IGBT/二極管芯片組在高壓直流輸電領(lǐng)域的應(yīng)用

制造商已經(jīng)為高壓直流 (HVDC) 應(yīng)用開發(fā)出新的 4.5kV 絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)/ 二極管芯片組并對(duì)其性能進(jìn)行了優(yōu)化 。這種芯片組的特點(diǎn)是導(dǎo)通電壓損耗非常低、具備大電流高電壓快速開通行為和高魯棒性的短路行為。在 IGBT 和二極管上應(yīng)用 HDR 技術(shù)，可以獲得高魯棒性。4.5kV 級(jí)芯片組的出現(xiàn)，是對(duì)現(xiàn)有 3.3kV 和 6.5kV 高壓級(jí)芯片組產(chǎn)品的補(bǔ)強(qiáng)。該芯片組有兩種不同的外殼可供選擇：

第一個(gè)芯片組采用高度絕緣 6.5kV 模塊外殼，提供 10.2kV 隔離能力，具備的爬電距離和間隙距離能應(yīng)付帶 2500-3000V 直流母線電壓的牽引應(yīng)用的惡劣環(huán)境。第二個(gè)芯片組是為 IHV-B外殼設(shè)計(jì)的，是用途遍及全球的著名 IHV-A 模塊的接班者。該模塊適合在工業(yè)應(yīng)用中使用，例如中壓變頻器和各種高壓直流 (HVDC) 場(chǎng)合，也適合在柔性交流輸電系統(tǒng) (FACTS) 應(yīng)用領(lǐng)域使用。模塊參見圖 1。

圖 1：4.5kV FZ1200R45HL3 模塊的封裝

為未來的 HVDC 系統(tǒng) – 相較于眾所周知的基于晶閘管的并網(wǎng)換相高壓直流傳輸，這些基于 IGBT 的電壓源轉(zhuǎn)換器 (VSC) 將會(huì)對(duì)未來的 HVDC 系統(tǒng)起到重要的作用?；?IGBT 的解決方案依賴于獨(dú)立的有功電流和無功電流控制，而這種控制又是借助 IGBT 的導(dǎo)通和關(guān)斷功能實(shí)現(xiàn)的。此外，它們?cè)趹?yīng)付交流電網(wǎng)故障方面還表現(xiàn)出了優(yōu)越的性能。

在高壓應(yīng)用領(lǐng)域，需要以串聯(lián)方式連接大量的半導(dǎo)體，而且必須保證高精度的同步開關(guān)。為了更好地滿足如此苛刻的設(shè)計(jì)要求，建議在 HVDC 和 FACTS 等高壓應(yīng)用中使用多電平 VSC - 模塊化多電平變換器 (MMC)。在 HVDC 應(yīng)用中，單個(gè) IGBT 模塊的開關(guān)頻率可以降低。因此，低通態(tài)損耗對(duì)于降低總功耗的作用尤其令人感興趣。

IGBT 和二極管的結(jié)構(gòu)

IGBT 溝槽技術(shù)因?yàn)閱卧g的載流子累積作用、單元間距和溝道長度經(jīng)過優(yōu)化、并且有專為高阻斷電壓而設(shè)計(jì)的溝道寬度，所以通態(tài)損耗很低。因此，溝槽技術(shù)提供了一種影響單元下載流子濃度的可行辦法，并且影響范圍比標(biāo)準(zhǔn)平面技術(shù)的更寬。圖 2 描繪的是 4.5KV IGBT/ 二極管的剖面示意圖。兩種設(shè)備都采用了 VLD 結(jié)構(gòu)(橫向摻雜)進(jìn)行邊緣終結(jié)。這種結(jié)構(gòu)與垂直 HDR 結(jié)構(gòu)相結(jié)合，令開關(guān)序列期間的動(dòng)態(tài)雪崩現(xiàn)象減少，從而賦予 IGBT 極高的關(guān)斷魯棒性，賦予二極管極高的整流魯棒性。

圖 2：適用 HDR 和 VLD 邊緣終結(jié)的 IGBT(左)和 EC 二極管(右)的剖面示意圖

電氣性能

1)靜態(tài)特性

為了實(shí)現(xiàn)4.5KV IGBT 較低的導(dǎo)通狀態(tài)電壓，特意對(duì)眾所周知的 6.5KV 器件平臺(tái)溝槽技術(shù)進(jìn)行了調(diào)整。做法是選用合適的基體材料并且采用經(jīng)過調(diào)整的場(chǎng)截止(field stop) 和經(jīng)過優(yōu)化的電池設(shè)計(jì)，賦予 4.5kV 器件同類最佳的通態(tài)特性?；?FZ1200R45HL3 模塊的標(biāo)稱電流 1200A，獲得了典型的 VCE(sat)=2.35 V@25℃，VCE(sat)=2.9V@125°C 和 VCE(sat)=3.0V@150℃。EC 二極管在電流等于標(biāo)稱電流 1200A 時(shí)表現(xiàn)出幾乎呈中性的溫度系數(shù)，在 25°C ≤ T ≤ 150°C 的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出典型的正向壓降并且 Vf≤2.5V。

2)動(dòng)態(tài)特性

額定條件下，即 VCE=2.8kV，IC =1200A 和 T=150℃ 的開關(guān)波形如圖 3 所示。在這些條件下，可以發(fā)現(xiàn)存在換向電感為 150 nH 的軟關(guān)斷行為。VCE 不超過 3.4kV。在更加苛刻的條件下，即有雜散電感更高、電流更大、工作溫度低至 -40°C 時(shí)，軟關(guān)斷也能保證。典型的接通和反向恢復(fù)波形也被描繪成圖，圖中可以看到非常平滑的 IF 尾部漸變。

圖 3：典型波長 @ 800V / 1200A， 150µH， 150°C

關(guān)斷： VCE=400V/div， IC=150A/div， Rgoff=5.1 W ， VGE=5V/div

接通：VCE=350V/div， IC=300 A/div， Rgon=1.2 W ， VGE=5V/div

反向恢復(fù)： VCE=500V/div， IC=500A/div， Rgon=1.2 W

高電壓和高電流下開關(guān)

在 HVDC 應(yīng)用中，確保在發(fā)生故障時(shí)，IGBT 能在高電壓、大電流條件下及時(shí)表現(xiàn)出快速開通行為非常重要，已對(duì)器件在超出 RBSOA 限制的此等條件下的耐用性進(jìn)行了評(píng)估。

溝道寬度是 IGBT 可采用的、針對(duì)可預(yù)測(cè)的失效事件而調(diào)整開通行為的參數(shù)。溝道寬度增加，可獲得快速導(dǎo)通性能。但同時(shí)，溝道寬度增加，短路電流也會(huì)隨之增大，所以要受短路能力的限制。因此，必須在開通性能與短路能力之間尋求平衡，或者也可以通過增強(qiáng) IGBT 的垂直結(jié)構(gòu)同時(shí)滿足提升開通性能和增強(qiáng)短路能力兩個(gè)要求。

3)短路能力

為了證明 IGBT 的 1 型短路能力，對(duì)其施加 VCE=3000V、VGE=17V 和 T=125℃的苛刻條件。9500A，接近標(biāo)稱電流的 8 倍，被成功關(guān)斷。

垂直的 IGBT 結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，延長短路時(shí)間下限直至器件失效。圖 4 顯示了一個(gè)短路波形。短路事件可以由 IGBT 模塊 FZ1200R45HL3 來處理，即使在 10μs 的短路持續(xù)時(shí)間之后，該裝置依然能夠提供可靠關(guān)斷。

圖 4：短路波形 @ 3000V， 125°C， VGE=17 V (VCE=500V/div， IC=1.3kA/div， VGE=10V/div)

4)IGBT 和二極管的魯棒性

在高壓直流應(yīng)用以及牽引應(yīng)用中， IGBT 和二極管能夠憑借其具備的高過流關(guān)斷能力提高系統(tǒng)的可靠性。

采用 HDR 概念后，終結(jié)系統(tǒng)對(duì) IGBT 的魯棒性的影響可以忽略不計(jì)。只有單元設(shè)計(jì)會(huì)構(gòu)成限制因素。溝槽結(jié)構(gòu)容許進(jìn)一步降低 IGBT 的源極長度。因?yàn)殡娏髅芏扰c源極長度成反比地減少，所以溝槽 IGBT 的閉鎖免疫力得到了有效地改善，并且獲得優(yōu)異的關(guān)斷耐用性，具體表現(xiàn)在能開關(guān) 比標(biāo)稱電流高 4 倍的電流而不導(dǎo)致電流或電壓信號(hào)發(fā)生嚴(yán)重振蕩。

除了低通態(tài)電壓外，新的 4.5kV EC 二極管還表現(xiàn)出低動(dòng)態(tài)功耗和非常高的魯棒性。已經(jīng)在 Pmax≥4MW 條件下對(duì) 200A 標(biāo)稱電流模塊進(jìn)行了二極管恢復(fù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果證明二極管沒有損壞。

5)浪涌電流能力

發(fā)生輸電線路短路等故障時(shí)，在二極管工作期間可能遭遇到高浪涌電流等失效條件。因此，承受高浪涌電流的能力是考察模塊可用性的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。可通過優(yōu)化垂直設(shè)計(jì)降低 VF 并且運(yùn)用 HDR 概念，獲得足夠的抗浪涌電流能力。一個(gè) IC =1200A 的模塊，典型的 IFSM 值可達(dá)到 10kA 左右，相當(dāng)于 125°C 下 I2t 等于 500 kA2s，150℃下 I2t 等于大約 500 kA2s。

6)宇宙輻射的魯棒性

4.5kV IGBT 和發(fā)射極控制二極管的設(shè)計(jì)決定了它們相對(duì)宇宙輻射具有較強(qiáng)的魯棒性。垂直器件結(jié)構(gòu)在典型的直流母線電壓下表現(xiàn)出低電場(chǎng)強(qiáng)度。已測(cè)明 FZ1200R45HL3 模塊在 ~3kV 直流母線電壓下的典型失效率 (FIT)，即 109 小時(shí)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的失效數(shù)為 100 FIT。除了阻斷直流母線電壓期間的穩(wěn)定狀態(tài)以外，開關(guān)運(yùn)行下的宇宙輻射魯棒性也被考慮到了。模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)，dV/dt≤ 2kV/μs 情況下的額外動(dòng)態(tài) FIT 率可以忽略不計(jì)，因?yàn)槠骷?nèi)部電場(chǎng)有限。

總結(jié)

新近推出的 4.5KV 溝槽場(chǎng)截止 IGBT 和發(fā)射極控制 EC 二極管專為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用 IHV-B 封裝者尤其適合用于高壓直流應(yīng)用場(chǎng)合。該 IGBT 和二極管具備非常低的通態(tài)電壓和快速開啟 IGBT 開關(guān)的行為，尤其適合在超出標(biāo)準(zhǔn)的條件下的高電壓大電流環(huán)境下使用。同時(shí)，F(xiàn)Z1200R45HL3 模塊還顯示出了優(yōu)秀的短路性能。此外，過流關(guān)斷試驗(yàn)也證明了 IGBT 和二極管出色的魯棒性。新器件的最高設(shè)計(jì)工作溫度為 150℃。這些功能都是通過運(yùn)用 HDR 技術(shù)調(diào)整溝槽單元設(shè)計(jì)以及 6.5kV IGBT 的垂直結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。