1200V TRENCHSTOP IGBT7 H7單管性能分析及其在T型三電平拓?fù)渲械膽?yīng)用

英飛凌TRENCHSTOP? IGBT7系列單管具有兩種電壓等級(jí)（650V&1200V）和三個(gè)系列（T7，S7，H7）。其中，H7系列單管針對(duì)光儲(chǔ)、UPS、EV charger、焊機(jī)等應(yīng)用進(jìn)行了專門的優(yōu)化，并配備了全電流EC7 rapid二極管。憑借極低的開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗和豐富的產(chǎn)品系列，H7單管正在成為光伏和儲(chǔ)能應(yīng)用的新星。

產(chǎn)品特點(diǎn)

●  按照應(yīng)用需求去定義產(chǎn)品，去掉短路能力從而獲得更低的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，如圖1所示。完美適配于不需要短路能力的光儲(chǔ)等應(yīng)用。

●  1200V H7系列有四種封裝，電流規(guī)格覆蓋40A-140A。其中140A的電流規(guī)格為市場(chǎng)首發(fā)，如圖2所示。而英飛凌上一代1200V 高速單管HIGHSPEED3 H3的最大電流規(guī)格僅為75A。

●  1200V H7全系列配置全電流規(guī)格的EC7 Rapid二極管，適配整流工況。

●  更強(qiáng)的防潮和抗宇宙射線能力。

圖1  英飛凌不同1200V單管的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗對(duì)比

產(chǎn)品系列

圖2 1200V H7單管產(chǎn)品系列

標(biāo)注：TO247-4pin assymetric為開爾文引腳、柵極引腳變細(xì)的TO247-4封裝，有助于避免連錫、加強(qiáng)絕緣性能。

TRENCHSTOP? IGBT7 H7與HIGHSPEED H3對(duì)比

1200V HIGHSPEED3 H3 IGBT針對(duì)高頻應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，具有很短的拖尾電流和很小的關(guān)斷損耗；因?yàn)椴捎昧薚RENCHSTOP?技術(shù)，其導(dǎo)通損耗也很低。因此，H3單管廣泛應(yīng)用于光伏、儲(chǔ)能、UPS等領(lǐng)域。而1200V H7單管更近一步，表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能。

下圖為IKW40N120H3和IKW40N120CH7的在相同條件下的雙脈沖測(cè)試結(jié)果：

●  測(cè)試電壓：600V

●  測(cè)試電流：20A

●  測(cè)試溫度：室溫25°C

●  柵極電阻：10Ω

圖3 H3開通波形 @600V，20A，25°C

圖4 H7開通波形 @600V，20A，25°C

圖5 H3關(guān)斷波形 @600V，20A，25°C

圖6 H7關(guān)斷波形 @600V，20A，25°

分析雙脈沖結(jié)果可見，H7系列單管具有更快的開關(guān)速度，而且其開通損耗比H3降低22.4%，關(guān)斷損耗降低了34.5%，且具有更短的拖尾電流。另外，規(guī)格書顯示，IKW40N120H7的Vce(sat)比IKW40N120CH3低25.9%。

由雙脈沖結(jié)果可知，1200V H7單管適用于光儲(chǔ)中的Boost、T型三電平、DCDC等高開關(guān)頻率拓?fù)?。下面以T型三電平為例，通過PLECS軟件和英飛凌官網(wǎng)提供的PLECS模型進(jìn)行仿真：

圖7 仿真拓?fù)洌篢型三電平

工況：20kW、10%過載、Vout=380V、PF=1、fsw=18kHz、風(fēng)冷

在相同工況下，H7單管的導(dǎo)通損耗略低于H3，開關(guān)損耗降低接近一半，較低的總損耗會(huì)使得散熱器的溫度降低。但H7芯片的面積比H3小，導(dǎo)致的較大熱阻不利于結(jié)溫的降低，盡管如此，H7單管的結(jié)溫仍然比H3單管低13.8°C。也就是說，可以用H7單管代替之前設(shè)計(jì)中的同電流規(guī)格H3單管，并獲得更高的結(jié)溫裕量。

隨著1200V H7單管電流規(guī)格的增大，其芯片面積增大，熱阻降低，帶來更好的性能。下面使用75A規(guī)格的IKQ75N120CH7與100A規(guī)格的IKQ100N120CH7分別應(yīng)用于30kW和40kW的T型三電平拓?fù)溥M(jìn)行仿真。

工況：30kW、10%過載、380V輸出、PF=1、fsw=18kHz、風(fēng)冷

工況：40kW、10%過載、Vout=380V輸出、PF=1、fsw=16kHz、風(fēng)冷

可見，可以通過單顆大電流單管進(jìn)行更高功率逆變器的設(shè)計(jì)，但是需要合理的散熱來解決單顆TO247PLUS封裝上高達(dá)80W的功耗。值得一提的是：對(duì)大電流的單管，降低其Rth(c-h)將獲得更大的收益。因?yàn)榇箅娏鲉喂艿腞th(c-h)占有更大比例。

1200V H7單管在光伏和儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用

1200V H7系列單管完美適用于T型三電平的豎管。通常情況下，T型三電平的直流母線在700-850V之間，豎管需要選用1200V耐壓的IGBT；逆變器開關(guān)頻率通常較高，同時(shí)其工作原理決定了開關(guān)損耗占比較大，所以豎管需要具有低的開關(guān)損耗；光伏逆變器要求支持±0.8的功率因數(shù)，儲(chǔ)能逆變器要求達(dá)到-1的功率因數(shù)，1200V H7系列單管配置的全電流規(guī)格EC7 Rapid二極管可以處理這種整流工況。為了增大IGBT出電流能力，50A至140A的1200V H7單管提供TO247PLUS封裝，在裝載更大面積芯片的同時(shí)提供了比TO247封裝具有更大的散熱焊盤。

圖8 TO247-3 VS TO247PLUS-3

當(dāng)下，光伏逆變器降本壓力增大，越來越多的光伏逆變器企業(yè)開始嘗試100kW及以上逆變器的大電流單管并聯(lián)解決方案。目前，英飛凌1200V H7單管的100A、120A、140A規(guī)格是其豎管的最優(yōu)解決方案。通過仿真和熱測(cè)試的評(píng)估發(fā)現(xiàn)，兩并聯(lián)或三并聯(lián)方案配合良好的散熱設(shè)計(jì)，1200V H7系列單管可以輕松實(shí)現(xiàn)100kW+的逆變器。

值得一提的是，對(duì)TO247PLUS-4封裝的單管，由于開爾文射極的存在，驅(qū)動(dòng)回路電感減小，開關(guān)速度增快；同芯片技術(shù)、同電流規(guī)格時(shí)，其開關(guān)損耗比TO247PLUS-3降低20%。這對(duì)光伏逆變器廠家沖擊更高功率規(guī)格的逆變器提供巨大幫助。但增快的開關(guān)速度會(huì)增大IGBT的關(guān)斷電壓尖峰，需要注意功率回路雜感的優(yōu)化。

總結(jié) 

? 英飛凌1200V TRENCHSTOP7? IGBT7 H7系列單管具有多種電流規(guī)格、豐富的封裝形式、極低的開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗，是光儲(chǔ)應(yīng)用中的優(yōu)選型號(hào)。

? 相較于英飛凌上一代1200V H3單管，H7單管具有更好的表現(xiàn)，同電流規(guī)格的單管可以實(shí)現(xiàn)更大功率的機(jī)型。

? 多顆大電流H7單管并聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)100kW及以上逆變器。

? 大電流單管應(yīng)用中降低Rth(c-h)會(huì)獲得更大收益。

作者：王藝軒

來源：英飛凌