在第一篇論文中我們介紹了芯片特性，本篇我們將繼續(xù)為您介紹：熱特性評估。

3. 1200V發(fā)射極控制的

EmCon7中功率技術(shù)

雖然改進(jìn)IGBT性能對于提升新功率模塊的載流能力是必不可少的，但只優(yōu)化IGBT并不夠。還必須改進(jìn)續(xù)流二極管以實(shí)現(xiàn)最大的功率增益。因此，通過優(yōu)化二極管，不僅要能在二極管恢復(fù)期間達(dá)到足夠的軟度，還應(yīng)保持較低的損耗。與IGBT的關(guān)斷特性相反，二極管軟度在電流較小（比如0.1·Inom）時(shí)最為關(guān)鍵。圖10顯示了FF600R12ME4_B72中的發(fā)射極控制的HE二極管和FF900R12ME7_B11中的發(fā)射極控制的EC7二極管，在25°C時(shí)二極管恢復(fù)階段的相應(yīng)開關(guān)曲線。

圖10：FF600R12ME4_B72中的發(fā)射極控制的HE二極管和FF900R12ME7_B11中的發(fā)射極控制的EC7二極管的開關(guān)曲線

顯而易見的是，發(fā)射極控制的HE二極管不能用于外部門極電阻低于1.5?時(shí)。如圖10中下面的一張圖所示，當(dāng)Rg,on值較小時(shí)（比如1.0?），會發(fā)生二極管瞬變，而發(fā)射極控制的EC7二極管在Rg,on=0.51?時(shí)也能使用，并未顯示出任何軟度問題。

就圖11中二極管的恢復(fù)損耗（Erec）而言，發(fā)射極控制的EC7二極管的Erec與發(fā)射極控制的HE二極管幾乎相同——雖然發(fā)射極控制的HE二極管的di/dt高出26-31%。

圖11：在不同溫度下，F(xiàn)F600R12ME4_B72和FF900R12ME7_B11模塊的二極管恢復(fù)損耗與正向電流的關(guān)系。插圖顯示的是歸一化的正向特性

為了本節(jié)內(nèi)容的完整性，圖11的插圖中顯示了二極管的正向特性。

4. 模塊外殼和結(jié)溫規(guī)格

1)模塊外殼改進(jìn)

相比上一代，新一代芯片的標(biāo)稱電流將提高50%。因此，有必要對外殼作一些改進(jìn)，以便能夠承載更大的電流，特別應(yīng)對主端子進(jìn)行改進(jìn)。為此，我們不僅開發(fā)出一款新外殼，還調(diào)整了內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)以提高主端子的載流能力。 

2)IGBT和FWD結(jié)溫規(guī)格

較之IGBT4被指定的絕對最高溫度Tvj,op等于150°C——不區(qū)分連續(xù)運(yùn)行和過載運(yùn)行，指定IGBT7的絕對最高溫度Tvj,op時(shí)，應(yīng)考慮到第1節(jié)中和參考文獻(xiàn)第[9]條中所述的GDP應(yīng)用要求。

圖12顯示了IGBT7和EC7的結(jié)溫規(guī)格。

圖12：IGBT 7（左側(cè)）與IGBT 4（右側(cè)）的虛擬結(jié)溫規(guī)格對比。IGBT 7的Tvj,op高于150°C時(shí)的過載持續(xù)時(shí)間必須在負(fù)載周期時(shí)間（T）的20%以下，即，T = 300s時(shí)，t1 = 60s

指定IGBT7的Tvj,op值時(shí)應(yīng)考慮到驅(qū)動制造商所規(guī)定的典型過載情形，且可以涵蓋3秒和60秒的過載脈沖。對應(yīng)用的影響將在下面的章節(jié)中講述。

5. 應(yīng)用測試和結(jié)果

與FF600R12ME4_B72器件相比，上述新開發(fā)的FF900R12ME7_B11的所有特性都將帶來性能的改進(jìn)。為了評估和比較這兩種器件的性能，須進(jìn)行一系列的應(yīng)用測試，并用紅外攝像機(jī)進(jìn)行溫度評估。測試參數(shù)的設(shè)置應(yīng)考慮到

第1章中所述的及表1中所列的信息：

表1：在應(yīng)用中比較IGBT7和IGBT4時(shí)所用的典型GPD參數(shù)。*所需的40°C的環(huán)境溫度不能通過試驗(yàn)裝置進(jìn)行調(diào)整

試驗(yàn)裝置如圖13所示：

圖13：試驗(yàn)裝置的照片。試驗(yàn)條件如表1所示

圖注：

1.紅外攝像機(jī)

2.IGBT驅(qū)動

3.風(fēng)扇

4.直流母線電容器

5.散熱器

6.黑色無凝膠模塊 – 供試器件

7.適配卡

1)FF600R12ME4_B72 vs. FF900R12ME7_B11 – 輸出電流和溫度降低

試驗(yàn)結(jié)果顯示在圖14和圖15中。

圖14：在1kHz 和表1中所述的條件下，IGBT結(jié)溫與輸出電流的關(guān)系

圖15：在2.5kHz 和表1中所述的條件下，IGBT結(jié)溫與輸出電流的關(guān)系

從圖中可以看出，在1kHz連續(xù)脈寬調(diào)制模式和相同的輸出電流下，采用IGBT 7技術(shù)的模塊工作溫度比IGBT4器件低38K。將新模塊推到指定溫度的極限，可使輸出電流增加150A。在150°C時(shí)，IGBT7相比IGBT4仍具有95A的輸出電流優(yōu)勢。

而在2.5kHz連續(xù)脈寬調(diào)制模式下，新技術(shù)的優(yōu)勢也很明顯：電流相同時(shí)工作溫度可降低33K；150°C時(shí)最大輸出電流可增加70A，175°C時(shí)最大輸出電流可增加110A。

2)FF600R12ME4_B72 vs. FF900R12ME7_B11 – 直流端子溫度降低

圖16顯示了相比FF600R12ME4_B72，F(xiàn)F900R12ME7_B11利用新外殼所實(shí)現(xiàn)的溫度降低。

圖16：通過比較新款和老款外殼的直流總線溫度來確定溫度改進(jìn)情況

當(dāng)輸出電流相同時(shí)，F(xiàn)F900R12ME7_B11模塊的新外殼可使直流總線溫度比FF600R12ME4_B72最多降低20K?？梢员葘D17中的兩張紅外線照片，它們分別顯示這兩種模塊在相同應(yīng)用條件下的溫度分布。

圖17：FF600R12ME4_B72（左側(cè)）和FF900R12ME7_B11（右側(cè)），二者都在420A和2.5kHz及相同條件下運(yùn)行。黑色方框?yàn)橛糜谶M(jìn)行溫度評估的逆變器部位

比較發(fā)現(xiàn)，在采用FF900R12ME7_B11而非FF600R12ME4_B72的系統(tǒng)中可以看到不同組件的溫度降低。在新器件中，主要是IGBT、FWD、DCB、模塊端子、直流總線端子及接合線能在較低溫度下運(yùn)行。

3)FF600R12ME4_B72 vs. FF900R12ME7_B11 – 在相同GPD機(jī)箱尺寸的功率密度

在這部分試驗(yàn)中，選擇與GPD制造商[1]的正常負(fù)荷（ND）和重型負(fù)荷（HD）機(jī)型對應(yīng)的輸出電流有關(guān)的參數(shù)，來評估不同技術(shù)的最大可能的逆變器輸出電流。參數(shù)列在表2中。

表2：為測試兩種模塊在相同機(jī)箱的輸出電流而選擇的參數(shù)

在表1中所述的條件下和2.5kHz時(shí)，給半導(dǎo)體施加額定輸出電流。在過載電流應(yīng)用之前，整個系統(tǒng)的溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)的熱性能顯示在圖18和圖19中。

圖18：機(jī)箱等級電流370A，F(xiàn)F600R12ME4_B72器件：在額定電流ND和HD、正常負(fù)荷和重型負(fù)荷過載脈沖下的測量結(jié)果

當(dāng)機(jī)箱等級電流為370A時(shí)，IGBT4解決方案達(dá)到溫度極限。在3秒鐘的重型負(fù)荷過載脈沖期間，IGBT的Tvj達(dá)到142°C。

圖19：機(jī)箱等級電流477A，F(xiàn)F900R12ME7_B11器件：在額定電流ND和HD、正常負(fù)荷和重型負(fù)荷過載脈沖下的測量結(jié)果

IGBT7器件能夠達(dá)到輸出電流477A的要求。在施加所有必需的電流等級期間，F(xiàn)F900R12ME7_B11始終位于圖12中所示的IGBT7的規(guī)格之內(nèi)。由于試驗(yàn)中的環(huán)境溫度為20℃，而不是要求的40℃，所以得到的結(jié)果適合用于作比較。因此，通過使用改進(jìn)的散熱器，采用不連續(xù)脈寬調(diào)制，和/或降低開關(guān)頻率，逆變器制造商可以在40°C時(shí)達(dá)到相同的輸出電流。

結(jié)論

新開發(fā)的由IGBT7與發(fā)射極控制EC7二極管組成的芯片不僅易于使用，還能完全滿足通用型驅(qū)動（GPD）的需求。它具有的優(yōu)勢包括：靜態(tài)損耗顯著降低，可控性好，在所有應(yīng)用相關(guān)的電流等級下都具有足夠的軟度，以及短路能力強(qiáng)。這些與EconoDUAL™3封裝改進(jìn)及用于滿足驅(qū)動過載需求的新溫度規(guī)格相結(jié)合，可讓逆變器設(shè)計(jì)工程師更方便設(shè)計(jì)。

所進(jìn)行的應(yīng)用測試毫無疑問地表明，相比上一代，新一代器件的性能得到了改進(jìn)。當(dāng)電流相同時(shí)，新一代FF900R12ME7_B11相比FF600R12ME4_B72模塊溫度降低了38K。另外，新一代器件的輸出電流還可增加最多150A。

考慮到典型的GPD正常負(fù)荷和重型負(fù)荷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，利用使用IGBT7替代IGBT4的EconoDUAL™ 3可能實(shí)現(xiàn)機(jī)箱等級電流從370A到477A的跳躍。

參考文獻(xiàn)

[9] AN2018-14, TRENCHSTOP TM 1200 V IGBT7 Application Note,

https：//www.infineon.com/dgdl/Infineon-AN_201814_TRENCHSTOP_1200V_IGBT7-AN-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d46265487f7b01656b173ddc3600