隨著變流器廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能、電動(dòng)汽車(chē)和軌道牽引等領(lǐng)域中，目前越來(lái)越多的變流器研究著眼于高功率密度、高可靠性設(shè)計(jì)。IGBT結(jié)合了單極性晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，具有高輸入阻抗、低損耗等特點(diǎn)，它作為電力變換的重要元件，其功率密度直接決定變流器的功率密度以及體積密度，因此其發(fā)展方向會(huì)直接影響變流器的設(shè)計(jì)。
自IGBT被廣泛應(yīng)用到電力電子變換裝置以來(lái)，IGBT芯片的發(fā)展先后經(jīng)歷了穿通（PT）、非穿通（NPT）、場(chǎng)終止（FS）和溝槽柵（Trench）等幾次技術(shù)革新，目前已經(jīng)發(fā)展到了溝槽柵的第五代；其芯片最高工作溫度也從125℃增加到現(xiàn)在的175℃，芯片厚度從原來(lái)的220μm減小到現(xiàn)在的小于100μm，功率密度從0.46kW/cm2增加到1.31 kW/cm2，增加了近3倍。飽和壓降、關(guān)斷損耗以及安全工作區(qū)三者的折衷關(guān)系的改進(jìn)是功率半導(dǎo)體發(fā)展的目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上追求更高的允許運(yùn)行結(jié)溫、更高的功率密度、更高的可靠性是功率半導(dǎo)體發(fā)展的趨勢(shì)。
本文在介紹英飛凌公司最新第五代IGBT芯片（以下簡(jiǎn)稱IGBT5）的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)描述了高功率變流器設(shè)計(jì)中遇到的損耗計(jì)算、熱設(shè)計(jì)，以及負(fù)載測(cè)試等問(wèn)題。
基于.XT技術(shù)的第五代芯片IGBT5是在原有溝槽柵技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的新一代IGBT，為減小動(dòng)靜態(tài)損耗，新一代IGBT芯片進(jìn)一步減小了厚度；為降低芯片表面溫度并確保可以通過(guò)10μs的短路測(cè)試，芯片發(fā)射極表面覆銅（圖1）；通過(guò)采用銅綁定線以及先進(jìn)的焊接手段，帶有IGBT5 芯片的模塊可以在175℃下運(yùn)行。
圖1：英飛凌第五代IGBT芯片剖視圖
由于IGBT5較第四代IGBT而言（以下簡(jiǎn)稱IGBT4）芯片更薄，因此在相同的電流條件下，其飽和壓降更低，這意味著其通態(tài)損耗也更小；雙脈沖實(shí)驗(yàn)表明，在相同條件下IGBT5的脈沖損耗也較小。
圖2是在雙脈沖試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試得到IGBT4/1400A和IGBT5/1800A的開(kāi)通電阻與開(kāi)通損耗的關(guān)系曲線，從圖中可以看出在相同溫度以及門(mén)極電阻條件下，IGBT5 單位電流的損耗比IGBT4要小。
圖2：不同開(kāi)通電阻下IGBT開(kāi)通脈沖損耗
帶有 .XT技術(shù)的IGBT5比較適合大功率應(yīng)用場(chǎng)合，且通常采用并聯(lián)方式。 表2 為使用IPOSIM仿真軟件在開(kāi)關(guān)頻率為2.5 kHz，輸出頻率為50 Hz，風(fēng)冷散熱，直流電壓1 050 V，環(huán)境溫度30 ℃條件下（因?yàn)楸疚牡臏y(cè)試散熱器進(jìn)口溫度為30℃，客戶實(shí)際應(yīng)用的需求一般為45℃），計(jì)算2只IGBT并聯(lián)后輸出電流的能力。從仿真結(jié)果（圖3）可以看出，在輸入?yún)?shù)相同的條件下，相同封裝的IGBT5 1800A模塊的輸出電流能力比IGBT4 1400A模塊高30%左右，從而提高了變頻器的功率密度。
圖3（a）：采用FF1400R17IP4 IGBT
圖3（b）：采用FF1800R17IP5 IGBT
變流器的熱設(shè)計(jì)涉及到如何通過(guò)散熱器以及冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)把IGBT功率損耗通過(guò)導(dǎo)熱硅脂、散熱器導(dǎo)出，以確保功率半導(dǎo)體處于安全的工作范圍內(nèi)。散熱器穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試是重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，比較專(zhuān)業(yè)的動(dòng)態(tài)熱阻測(cè)試需要用到熱結(jié)構(gòu)函數(shù)，在工程中也可以采用JESD51-14介紹的方法測(cè)試其穩(wěn)態(tài)熱阻，以便于穩(wěn)態(tài)熱仿真。散熱器的穩(wěn)態(tài)熱阻一般可以表達(dá)為
——散熱器溫度； 
——散熱器入口溫度； 
——IGBT的功率損耗。
測(cè)試中，用直流電源給IGBT芯片加熱，通過(guò)測(cè)量IGBT的壓降以及電流計(jì)算出其損耗，通過(guò)J型熱電偶以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到溫度測(cè)試值。測(cè)試條件為: 散熱器風(fēng)速10m/s；導(dǎo)熱硅脂采用PTM7000，其厚度為60μm；在不同功率條件下僅僅加熱IGBT芯片,分別測(cè)試散熱器輸入輸出溫度、IGBT芯片正下方散熱器溫度，同時(shí)用紅外相機(jī)測(cè)試表面涂黑的IGBT芯片溫度。根據(jù)式（1）得到不同功率條件下的熱阻值，考慮到測(cè)試誤差，取為0.071 K/W。
負(fù)載測(cè)試平臺(tái)為三相結(jié)構(gòu)，其中，每2支IGBT5模塊FF1800R17IP5并聯(lián)作為一相放在一個(gè)尺寸為360 x 300 mm 的風(fēng)冷散熱器上，模塊以及散熱器風(fēng)道均沿散熱器長(zhǎng)度方向布置（圖4（a））。每個(gè)散熱器采用一個(gè)單獨(dú)的離心風(fēng)機(jī)；直流回路采用18支膜直流電容與IGBT的直流端子相聯(lián)；采用三相對(duì)稱電感負(fù)載，電感值450 μH。驅(qū)動(dòng)采用2ED300C17芯片，一個(gè)驅(qū)動(dòng)核驅(qū)動(dòng)2支IGBT，IGBT適配板上有推挽三極管，以放大驅(qū)動(dòng)能力并確保驅(qū)動(dòng)信號(hào)的一致性。散熱器平均風(fēng)速為10 m/s，直流電壓1 000 V，測(cè)試開(kāi)關(guān)頻率選擇為2.5 kHz，輸出頻率50 Hz。三相測(cè)試組件如圖4所示。
圖4（a）：組件結(jié)構(gòu)布局
圖4（b）：測(cè)試平臺(tái)
在負(fù)載測(cè)試過(guò)程中，為監(jiān)控散熱器溫度，在每個(gè)散熱器出風(fēng)口附近IGBT芯片正下方的位置開(kāi)了直徑2 mm的小孔用于安裝J型測(cè)溫?zé)犭娕迹鐖D5中1-6所示，其左側(cè)為散熱器布局圖，右側(cè)為IGBT/二極管芯片布局圖，藍(lán)色箭頭為冷卻空氣流向。圖6為采用IGBT5 時(shí)不同位置的散熱器溫度與輸出電流的關(guān)系曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，位置3和位置6的溫度比另外4個(gè)位置要高，可能的原因是位置3和位置6處于散熱器的中央，散熱條件相對(duì)比較差，這也意味著散熱器設(shè)計(jì)邊緣留有余量會(huì)有助于降低IGBT芯片溫度。進(jìn)口溫度一定時(shí)，在測(cè)試范圍內(nèi)，散熱器的溫度幾乎隨電流呈線性變化（但圖6中以850 A為界前后斜率稍有不同，可能的原因是測(cè)量帶來(lái)的誤差）。
圖5：散熱器開(kāi)孔（左）以及對(duì)應(yīng)IGBT芯片布局圖（右）
圖6：散熱器溫度與電流的關(guān)系曲線（入口空氣溫度29℃）
觀測(cè)IGBT結(jié)溫最直接的方法是在IGBT芯片上貼一個(gè)熱點(diǎn)偶，但是考慮到絕緣等問(wèn)題，在實(shí)際測(cè)試中較少使用。本文中取3個(gè)位置的平均值作為表征散熱器溫度的特征變量，對(duì)兩種不同IGBT的測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，在本文的測(cè)試條件下，IGBT4電流為800 A時(shí)，散熱器特征溫度為118℃，而在該電流下IGBT5的對(duì)應(yīng)溫度約為84℃；在電流為1 050 A時(shí)，IGBT5 對(duì)應(yīng)的散熱器溫度為120℃。根據(jù)以上仿真結(jié)果可以計(jì)算IGBT損耗，進(jìn)而通過(guò)公式（2）計(jì)算得到該測(cè)試條件下的平均結(jié)溫。
——結(jié)殼熱阻； 
——?dú)さ缴崞鳠嶙琛?/span>
在變頻器熱設(shè)計(jì)中，模塊自帶的NTC（熱敏電阻）可以作為溫度輸入，但是在設(shè)計(jì)中需要建立相應(yīng)的熱模型，其中一種方法是通過(guò)測(cè)試得到不同輸出電流時(shí)NTC與仿真結(jié)溫的關(guān)系。圖7為模塊芯片平均溫度與其N(xiāo)TC所示溫度之間的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，本文中兩種模塊的芯片結(jié)溫與NTC溫度顯示出高度的線性關(guān)系，由此可以通過(guò)數(shù)據(jù)擬合的方式得到兩者之間的方程。這一試驗(yàn)結(jié)果為變頻器的熱設(shè)計(jì)和熱保護(hù)提供了一種適合于工程應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。
圖7：IGBT芯片平均結(jié)溫計(jì)算值與模塊NTC溫度顯示值的關(guān)系曲線
本文描述了基于.XT 的第五代IGBT特點(diǎn)，通過(guò)仿真計(jì)算比較了IGBT4 和IGBT5 的損耗和結(jié)溫，通過(guò)負(fù)載試驗(yàn)測(cè)試了組件的主要電氣參數(shù)以及溫度。仿真及試驗(yàn)結(jié)果都表明IGBT5 FF1800R17IP5 模塊的輸出電流能力比IGB4 FF1400R17IP4高30%左右； 另外IGBT芯片結(jié)溫與模塊NTC顯示溫度存在高度的線性關(guān)系。本文的試驗(yàn)結(jié)果為客戶設(shè)計(jì)高功率變頻器提供了新的模塊解決方案，為變頻器熱設(shè)計(jì)以及熱保護(hù)提供了新的工程解決方法。
為進(jìn)一步提高IGBT5的輸出電流能力，下一步考慮用毛細(xì)熱管散熱器進(jìn)一步減小散熱器熱阻同時(shí)考慮在IGBT芯片上貼熱電偶以便更準(zhǔn)確地測(cè)到IGBT芯片溫度結(jié)溫。（英飛凌igbt廠家）
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