隨著變流器廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、太陽能、電動汽車和軌道牽引等領(lǐng)域中，目前越來越多的變流器研究著眼于高功率密度、高可靠性設(shè)計。IGBT結(jié)合了單極性晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點，具有高輸入阻抗、低損耗等特點，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)展方向會直接影響變流器的設(shè)計。
自IGBT被廣泛應(yīng)用到電力電子變換裝置以來，IGBT芯片的發(fā)展先后經(jīng)歷了穿通（PT）、非穿通（NPT）、場終止（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。
本文在介紹英飛凌公司最新第五代IGBT芯片（以下簡稱IGBT5）的基礎(chǔ)上，重點描述了高功率變流器設(shè)計中遇到的損耗計算、熱設(shè)計，以及負(fù)載測試等問題。
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)上開發(fā)的新一代IGBT，為減小動靜態(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10μs的短路測試，芯片發(fā)射極表面覆銅（圖1）；通過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??；雙脈沖實驗表明，在相同條件下IGBT5的脈沖損耗也較小。
圖2是在雙脈沖試驗臺上測試得到IGBT4/1400A和IGBT5/1800A的開通電阻與開通損耗的關(guān)系曲線，從圖中可以看出在相同溫度以及門極電阻條件下，IGBT5 單位電流的損耗比IGBT4要小。
圖2：不同開通電阻下IGBT開通脈沖損耗
帶有 .XT技術(shù)的IGBT5比較適合大功率應(yīng)用場合，且通常采用并聯(lián)方式。 表2 為使用IPOSIM仿真軟件在開關(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（因為本文的測試散熱器進(jìn)口溫度為30℃，客戶實際應(yīng)用的需求一般為45℃），計算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)計涉及到如何通過散熱器以及冷卻系統(tǒng)的設(shè)計把IGBT功率損耗通過導(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)熱阻測試是重要的一個環(huán)節(jié)，比較專業(yè)的動態(tài)熱阻測試需要用到熱結(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。
測試中，用直流電源給IGBT芯片加熱，通過測量IGBT的壓降以及電流計算出其損耗，通過J型熱電偶以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到溫度測試值。測試條件為: 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,分別測試散熱器輸入輸出溫度、IGBT芯片正下方散熱器溫度，同時用紅外相機測試表面涂黑的IGBT芯片溫度。根據(jù)式（1）得到不同功率條件下的熱阻值，考慮到測試誤差，取為0.071 K/W。
負(fù)載測試平臺為三相結(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)道均沿散熱器長度方向布置（圖4（a））。每個散熱器采用一個單獨的離心風(fēng)機；直流回路采用18支膜直流電容與IGBT的直流端子相聯(lián)；采用三相對稱電感負(fù)載，電感值450 μH。驅(qū)動采用2ED300C17芯片，一個驅(qū)動核驅(qū)動2支IGBT，IGBT適配板上有推挽三極管，以放大驅(qū)動能力并確保驅(qū)動信號的一致性。散熱器平均風(fēng)速為10 m/s，直流電壓1 000 V，測試開關(guān)頻率選擇為2.5 kHz，輸出頻率50 Hz。三相測試組件如圖4所示。
圖4（a）：組件結(jié)構(gòu)布局
圖4（b）：測試平臺
在負(fù)載測試過程中，為監(jiān)控散熱器溫度，在每個散熱器出風(fēng)口附近IGBT芯片正下方的位置開了直徑2 mm的小孔用于安裝J型測溫?zé)犭娕?，如圖5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 時不同位置的散熱器溫度與輸出電流的關(guān)系曲線。試驗結(jié)果表明，位置3和位置6的溫度比另外4個位置要高，可能的原因是位置3和位置6處于散熱器的中央，散熱條件相對比較差，這也意味著散熱器設(shè)計邊緣留有余量會有助于降低IGBT芯片溫度。進(jìn)口溫度一定時，在測試范圍內(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，可能的原因是測量帶來的誤差）。
圖5：散熱器開孔（左）以及對應(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IGBT結(jié)溫最直接的方法是在IGBT芯片上貼一個熱點偶，但是考慮到絕緣等問題，在實際測試中較少使用。本文中取3個位置的平均值作為表征散熱器溫度的特征變量，對兩種不同IGBT的測試結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，在本文的測試條件下，IGBT4電流為800 A時，散熱器特征溫度為118℃，而在該電流下IGBT5的對應(yīng)溫度約為84℃；在電流為1 050 A時，IGBT5 對應(yīng)的散熱器溫度為120℃。根據(jù)以上仿真結(jié)果可以計算IGBT損耗，進(jìn)而通過公式（2）計算得到該測試條件下的平均結(jié)溫。
——結(jié)殼熱阻； 
——殼到散熱器熱阻。
在變頻器熱設(shè)計中，模塊自帶的NTC（熱敏電阻）可以作為溫度輸入，但是在設(shè)計中需要建立相應(yīng)的熱模型，其中一種方法是通過測試得到不同輸出電流時NTC與仿真結(jié)溫的關(guān)系。圖7為模塊芯片平均溫度與其NTC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，由此可以通過數(shù)據(jù)擬合的方式得到兩者之間的方程。這一試驗結(jié)果為變頻器的熱設(shè)計和熱保護(hù)提供了一種適合于工程應(yīng)用的經(jīng)驗。
圖7：IGBT芯片平均結(jié)溫計算值與模塊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，通過仿真計算比較了IGBT4 和IGBT5 的損耗和結(jié)溫，通過負(fù)載試驗測試了組件的主要電氣參數(shù)以及溫度。仿真及試驗結(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。本文的試驗結(jié)果為客戶設(shè)計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考慮在IGBT芯片上貼熱電偶以便更準(zhǔn)確地測到IGBT芯片溫度結(jié)溫。（英飛凌igbt廠家）
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