摘要：EconoDUAL™3是一款經典的IGBT模塊封裝，其上一代的1700V系列產品已經廣泛應用於級聯型中高壓變頻器、靜止無功發生器（SVG）和風電變流器，覆蓋了中功率和一部分大功率的應用場合。隨著晶片技術的發展和市場對高功率密度IGBT模塊的需求增加，英飛凌已經基於最新的1700V IGBT7技術開發了新一代的EconoDUAL™3模塊，並率先推出了900A和750A兩款新產品。本文首先分析了上一代最大電流等級600A的產品FF600R17ME4在MVD和SVG中的典型應用，然後介紹了1700V IGBT7的晶片特性和EconoDULA™ 3模塊的性能優化。通過與FF600R17ME4對比，分析了900A和750A的產品優勢。最後，針對級聯高壓變頻器和靜止無功發生器的應用場景，通過仿真對比，闡明了新一代IGBT產品在輸出能力和功率損耗等方面為系統帶來的價值。
級聯型H橋（Cascaded H-bridge,CHB）拓撲的結構簡單，擴展靈活。由於採用了相同的功率單元，所以便於模塊化設計和製造，可以有效的降低成本。目前它已經在中高壓級聯型變頻器（以下簡稱MVD）和靜止無功發生器（以下簡稱SVG）中獲得了廣泛應用，這兩種設備的功率單元拓撲圖見圖1。在工業應用中，電機作為風機、泵、壓縮機、皮帶機、提升機、破碎機和球磨機等各種機械設備的驅動裝置，其耗電量約占中國整個工業電耗的60%以上。採用MVD與生產工藝結合，可以顯著的降低電機能耗。SVG主要應用於提升電網的輸電容量及穩定暫態電壓，也可實現輸配電網、風電和光伏發電場、電弧爐/軋鋼機、礦山、石化、煤礦、港口等行業的功率因數控制、母線電壓閃變抑制及補償不平衡負荷、濾除負荷諧波電流，達到提高電能質量，節省電能的目的。隨著國家“雙碳目標”的確立，一方面將會繼續推進工業領域的節能減排，另一方面會大力提升新能源發電（風電和光伏）的占比，所以MVD和SVG的市場空間也將持續增加。
如圖2所示，EconoDUAL™3 IGBT模塊的直流和交流功率端子分別位於模塊兩側，功率端子之間的區域用於放置驅動板。這樣母線電容的直流母排、驅動板和交流母排在空間上互不干擾，便於器件並聯和系統設計。英飛凌上一代的1700V IGBT4包含225A、300A、450A和600A 4個電流等級，通過每相採用單模塊和兩個模塊並聯，基本可以覆蓋6kV-10kV MVD的中等功率範圍和一部分大功率範圍、10kV-35kV SVG的中等容量範圍。對於大功率MVD和大容量SVG，1700V的IGBT有兩種解決方案，一種是增加EconoDUAL™3模塊的並聯數量，比如採用600A模塊FF600R17ME4 3並聯或者4並聯。另一種是採用其他封裝的大電流IGBT模塊，比如1000A模塊FF1000R17IE4或者1400A模塊FF1400R17IP4，這樣既可以增加系統的容量，又可以減少模塊的並聯數量，略有不足之處是增加了模塊的封裝種類，功率單元設計也要根據模塊的結構進行較大的調整。
為了進一步提升EconoDUAL™ 3模塊的性能，英飛凌開發了新一代的1700V IGBT7晶片和EC7二極體晶片，推出了750A FF750R17ME7D和900A FF900R17ME7兩款新產品，其電流密度分別比FF600R17ME4提升了25%和50%。其中900A是業內1700V EconoDUAL™3已量產產品的最大電流等級。此外，為了降低負功率因數應用中二極體的溫度應力，比如雙饋風力發電機電機側變流器二極體的結溫波動較大，FF750R17ME7D把二極體的電流升級到1200A。在介紹IGBT7的晶片特性和模塊的特點之前，有必要對IGBT4在MVD和SVG中的應用情況有一個初步的了解。
圖1.MVD和SVG的功率單元拓撲圖，
a-MVD；b-SVG
圖2.EconoDUAL™3 IGBT模塊
02. FF600R17ME4在MVD和SVG中的應用
MVD和SVG功率單元中IGBT的開關頻率比較低，一般在600Hz左右。通過採用多級功率單元級聯，可以實現較高的逆變器等效開關頻率，從而可以消除輸出電壓更多的諧波。較低的開關頻率降低了器件的開關損耗，使得器件的導通損耗占比更高。下面以表1中MVD和SVG風冷功率單元的典型額定工作參數為例，用Plecs仿真軟體分析了FF600R17ME4的功率損耗和結溫，結果如圖3所示。MVD的功率因數接近1，IGBT的導通損耗和開關損耗之和遠高於二極體，所以IGBT的結溫最高，為122.3℃。此外，IGBT的導通損耗約占其總損耗（導通損耗+開關損耗）的73%。SVG的功率因數為0，二極體的導通損耗和IGBT的導通損耗接近，占各自總損耗的60%和72%。二極體的開關損耗比IGBT的低，所以二極體的總損耗比IGBT略低。由於二極體的結殼熱阻比IGBT高，所以二極體的結溫最高，為119.9℃。在MVD和SVG中，IGBT的導通損耗約占IGBT和二極體總損耗的56.5%和32.6%，所以採用具有更低飽和壓降的IGBT7可以降低器件的總損耗，提升器件的輸出能力。下文會進一步研究1700V IGBT7在MVD和SVG中的應用價值。對於MVD，主要對比FF600R17ME4和FF900R17ME7，對於SVG，會分析FF600R17ME4，FF750R17ME7D和FF900R17ME7這三款產品。
表1.MVD和SVG功率單元的額定工況
a.IGBT和Diode的結溫 
b.IGBT和Diode的導通損耗和開關損耗
c.IGBT和Diode導通損耗和開關損耗在各自總損耗中的占比
03. 1700V IGBT7晶片技術
3.1 IGBT7晶片介紹
IGBT7晶片技術首先應用於1200V的低功率IGBT，後來逐步擴展到1200V的中功率和大功率IGBT，其主要應用為電機控制類的變頻器，比如通用變頻器、伺服驅動器和電動汽車主驅逆變器。為了提升1700V IGBT模塊的電流密度，英飛凌專門開發了1700V的IGBT7晶片，並首先應用於EconoDUAL™3封裝。IGBT7晶片技術採用了微溝槽（micro-pattern trench，簡稱MPT）結構，以解決晶片高電流密度面臨的挑戰，MPT結構的簡化示意圖如圖4所示。把柵極溝槽的台面寬度減少到亞微米長度，可以增加載流子約束，實現更低的飽和壓降。另外，通過調整柵極溝槽、發射極溝槽和活躍通道的接觸方案，則可以同時優化晶片的開關特性、開關損耗和門極電荷。1700V的二極體晶片EC7（emitter controlled，發射極控制）借鑑了1200V EC4和1700V EC5二極體的設計理念，實現了更高電流密度晶片的性能優化。
圖4.MPT元胞示意圖，中心有一個活躍通道，左上是帶有不活躍台面的柵極溝槽，左下是發射極溝槽
3.2 IGBT7的導通特性
圖5是FF600R17ME4，FF750R17ME7D和 FF900R17ME7在25度和150度結溫的輸出特性曲線。由於IGBT採用了微溝槽結構和載流子限制，它的的飽和壓降得到了顯著的降低，所以相同結溫時，FF900R17ME7的曲線位於左側，FF750R17ME4D位於中間，FF600R17ME4位於右側。以FF600R17ME4的標稱電流600A為基準對比這三種器件在150度結溫的飽和壓降，FF600R17ME4為2.45V。FF750R17ME7D為 1.81V，比FF600R17ME4低0.64V，大約 26.1%。FF900R17ME7為1.65V。FF900R17ME7為1.65V，比FF600R17ME4低 0.8V，大約32.6%。更公平的比較是基於器件各自的標稱電流，此時FF750R17ME7D和 FF900R17ME7D的飽和壓降均為為2.05V，比 FF600R17ME4低0.4V,大約16.3%。所以，IGBT7可以明顯的降低IGBT的導通損耗。
圖5.IGBT4和IGBT7的導通特性曲線，圖表上方的數值為三種器件的Vce值，條件為：Ic=600A，Vge=+15V,Tvj=150℃
圖6是三種器件二極體的正向特性曲線，結溫分別為25度和150度。當電流為600A時，FF600R17ME4的正向壓降為1.95V。FF750R17ME7D為1.63V，比FF600R17ME4低0.32V，大約16.4%。FF900R17ME7為1.88V，比FF600R17ME4僅低0.07V，大約3.6%。因為FF750R17ME7D的二極體電流為1200A，所以它比FF900R17ME7的壓降更低。當基於器件各自的標稱電流時，FF750R17ME7D的正向壓降為1.8V，比FF600R17ME4低0.15V，大約7.7%。FF900R17ME7為2.2V，比FF600R17ME4高0.25V，大約12.8%。當電流比較高時，FF600R17ME4二極體的壓降是正溫度係數，而FF750R17ME7D和FF900R17ME7的壓降在全電流範圍均為負溫度係數。設計EC7二極體為負溫度係數的原因是為了優化二極體的反向恢復特性，降低方向恢復損耗，同時降低IGBT的開通損耗。在2-3kHz開關頻率的整流或者逆變應用中，由於IGBT的開關損耗和二極體的反向恢復損耗占比較高[1]，EC7二極體可以降低器件的總損耗。與FF600R17ME4相比，即便FF750R17ME7D無法明顯降低二極體的導通損耗，甚至FF900R17ME7還略微增加，但是FF750R17ME7D和FF900R17ME7的總損耗明顯比FF600R17ME4，詳見SVG應用部分的分析。
04. IGBT7 EconoDUAL™3模塊的新特性
高電流密度的IGBT模塊除了需要用高電流密度的晶片，還需要增強模塊設計，比如提升晶片的工作結溫、減小模塊內部引線電阻發熱和降低功率端子溫升，以應對系統高功率密度設計面臨的挑戰。
4.1 175度過載工作結溫
通過優化EconoDUAL™3模塊設計，IGBT7晶片增加了過載結溫定義，如圖7所示。IGBT7允許的過載結溫位於150℃和175℃之間，過載時間小於等於20%過載周期，比如當過載周期T=300秒時，則過載持續時間t1不能超過60秒。60秒也是過載持續時間的最大值，比如如果過載周期T=600秒，則t1仍然不能超過60秒。在通用變頻器、中高壓MVD和SVG等有一分鐘及以內過載工況的應用中，與IGBT4相比，IGBT7額外的25度過載工作結溫可以提升器件額定工況對應的工作結溫，使過載結溫位於150℃和175℃之間，從而增加器件的輸出能力和系統的功率密度。
圖7.IGBT7和IGBT4晶片允許的工作結溫，IGBT過載結溫最高175℃，IGBT4最高結溫150度
4.2 提升交直流功率端子載流能力
模塊的輸出電流會在交直流功率端子上產生與電流呈平方關係的歐姆損耗，這些損耗一部分通過模塊內部的銅連接線傳導到DCB，然後通過模塊基板傳遞到散熱器，另一部分損耗傳遞到與功率端子連接的外部銅排，最終功率端子會達到熱平衡。如果EconoDUAL™3模塊輸出更大的電流，功率端子的溫升會成為系統設計的瓶頸。為此，IGBT7 EconoDUAL™3對模塊內部連接DCB和功率端子的結構設計進行了優化。IGBT7增加了模塊內部功率端子側的銅片面積，以便於安裝更多的銅連接線，因而IGBT7比IGBT4的銅連接線數量多了40%。熱測試對比表明，在相同工況（模塊輸出電流550Arms，IGBT開關頻率1000Hz）下，1200V IGBT7 EconoDUAL™3比IGBT4的直流端子低大約20度，參考[2]，因1700V IGBT7 EconoDUAL™3的封裝與1200V相同，所以1200V的測試結果也適用於1700V IGBT7。
a 直流功率端子 b交流功率端子
4.3 減小內部引線電阻
模塊內部的綁定線、DCB上表面的覆銅層和晶片與DCB之間的焊接層共同組成了內部引線電阻，其等效值為RCC’+EE’，如圖9所示。C是IGBT集電極功率端子，C´是IGBT發射極輔助端子，E是IGBT發射極功率端子，E´是IGBT發射極輔助端子。EconoDUAL™3為半橋拓撲，包含兩個等效的IGBT開關和與其並聯的續流二極體。每個IGBT開關和續流二極體各包含一個RCC’+EE’。如表2所示，由於IGBT7優化了模塊內部的連接設計，其常溫RCC’+EE’為0.8毫歐，比IGBT4的1.1毫歐降低了27.3%。
表2.1700V EconoDUAL™3 IGBT4和IGBT7的內部引線電阻
常溫狀態下，RCC’+EE’的損耗計算參考公式(1)。
RCC'+EE'：模塊內部的等效引線電阻
i(t)=sin(ωt)：正弦輸出電流
τ'(t)：IGBT或diode的脈衝函數，導通時為1，關斷時0。
IGBT模塊的溫度也會影響RCC’+EE’的數值，參考計算公式(2).
α:銅材料的溫度係數，為3.85·10-3/K。
TRCC^'+EE'：假定引線電阻的溫度與IGBT模塊的殼溫Tcase相同。
根據公式(1)、公式(2)和IGBT模塊的三個殼溫，圖10給出了FF600R17ME4和FF900R17ME7 RCC’+EE’的損耗對比。在小電流範圍內，兩種器件的引線電阻損耗差別不大，當輸出電流較大時，FF900R17的損耗明顯更低。以75度殼溫為例，當模塊輸出電流分別為300A和500A時，FF900R17ME7比FF600R17ME4的損耗分別低16W和45W，因而IGBT7更有損耗優勢。接下來的MVD和SVG仿真均考慮了RCC’+EE’對損耗、結溫和輸出能力的影響。
圖10.FF600R17ME4和FF900R17ME7內部引線電阻損耗對比
05 IGBT7和IGBT4仿真分析
5.1 MVD應用仿真分析
如上文分析，在MVD應用中，FF600R17ME4的IGBT導通損耗約占總損耗的56.5%（不包括引線電阻損耗），FF750R17ME7D和FF900R17ME7的IGBT飽和壓降均比FF600R17ME4有明顯降低。所以，在相同工況下，FF900R17ME7的輸出能力最高，FF600R17ME4最低，FF750R17ME7D介於二者之間。因此，本部分的仿真分析主要對比FF900R17ME7和FF600R17ME4。仿真參數見表1，使用風冷和水冷兩種散熱器，熱阻分別為0.15K/W和0.05K/W。對於MVD的過載工況，雖然110%額定電流1分鐘過載在風機、水泵類負載中比較普遍，從更嚴苛的角度考慮，本文的過載工況為120%額定電流1分鐘。
圖11為風冷MVD的輸出電流和IGBT最高結溫的仿真結果，包括了額定工況和過載工況。結溫為150度時，兩種器件的額定輸出電流分別為350A和442A。FF900R17ME7比FF600R17ME4高92A，大約26.3%。考慮FF900R17ME7具有1分鐘的過載結溫，額定輸出仍為442A時，過載結溫大約為175度。剛好充分利用了25度過載結溫。為了使FF600R17ME4的過載結溫不超過150度，其額定輸出電流需要降低到320A。所以，過載工況時FF900R17ME7的輸出比FF600R17ME4高122A，大約38.1%。
與風冷工況類似，圖12總結了水冷MVD的仿真結果。結溫為150度時，FF600R17ME4的額定輸出電流為570A，FF900R17ME7為721A，比FF600R17ME4高151A，大約26.5%。過載工況時，兩種器件的輸出電流分別為480A和672A，FF900R17ME7比FF600R17ME4高192A，大約40%。上述兩種冷卻形式的仿真結果表明IGBT7額外的25度過載結溫可以進一步提升FF900R17ME7相對於FF600R17ME4的輸出能力。
除了提升器件的輸出能力，IGBT7還可以降低器件的總損耗，提升系統的效率。如圖13所示，FF900R17ME7中一個IGBT和反並聯續流二極體的總損耗為297W，比FF600R17ME4的402W低105W，大約35.4%。除了二極體的開關損耗有所增加，其他部分的損耗均有不同程度的降低，體現了上文介紹的IGBT7晶片和EconoDUAL™3封裝優化的價值。其中，IGBT的導通損耗降低了51W，IGBT開關損耗降低了16W，二極體開關損耗降低了11W，引線電阻損耗降低了20W。
圖11.風冷MVD的輸出電流和IGBT最高結溫
-額定和120%過載1分鐘
圖12.水冷MVD的輸出電流和IGBT最高結溫
-額定和120%過載1分鐘
圖.13 風冷MVD中FF600R17ME4和FF900R17ME7的損耗（一個IGBT和一個反並聯二極體），輸出電流300A
5.2 SVG應用仿真分析
根據表1中的SVG工作參數，採用與MVD相同的仿真方法、散熱器熱阻和過載工況，對三種器件進行了對比分析。
圖14為風冷SVG的仿真結果。結溫為150度時，FF600R17ME4，FF750R17ME7D和FF900R17ME7的額定輸出電流分別為367A，427A和417A。FF750R17ME7D比FF600R17ME4高60A，大約16.3%。FF900R17ME7高50A，大約13.6%。FF600R17ME4 120%過載1分鐘的輸出電流為325A。120%過載1分鐘並且IGBT7過載結溫不超過175度時，FF750R17ME7D輸出電流仍為427A，FF900R17ME7仍為417A。其分別比FF600R17ME4高102A和92A，大約31.4%和28.3%。
圖15為水冷SVG的仿真結果。結溫為150度時，FF600R17ME4，FF750R17ME7D和FF900R17ME7的額定輸出電流分別為612A，715A和673A。FF750R17ME7D比FF600R17ME4高103A，大約16.8%。FF900R17ME7高61A，大約10%。FF600R17ME4 120%過載1分鐘的輸出電流為512A。120%過載1分鐘並且IGBT7過載結溫不超過175度時，FF750R17ME7D輸出電流為675A，FF900R17ME7為645A。其分別比FF600R17ME4高163A和133A，大約31.8%和26%。
如圖16所示，FF750R17ME7中一個IGBT和反並聯續流二極體的總損耗為608W，FF900R17ME7為607W，它們比FF600R17ME4的781W低大約173W, 22.1%。FF750R17ME7D所有的損耗部分均比FF600R17ME4低。FF900R17ME7二極體的導通損耗比FF600R17ME4高5W，其餘部分的損耗均低於FF600R17ME4。對比結果再次驗證了上文介紹的IGBT7晶片和EconoDUAL™3封裝優化的價值。
圖14.風冷SVG的輸出電流和二極體最高結溫
-額定和120%過載1分鐘
圖15.水冷SVG的輸出電流和二極體最高結溫
-額定和120%過載1分鐘
圖16.水冷SVG中FF600R17ME4，FF750R17ME7D和FF900R17ME7的損耗（一個IGBT和一個反並聯二極體），輸出電流500A
06. 結論
本文介紹了英飛凌新一代1700V IGBT7和二極體EC7晶片的特性。通過與上一代產品FF600R17ME4對比，詳細分析了EconoDUAL™3模塊的優化設計及其為系統帶來的價值。基於MVD典型應用工況的仿真結果表明，無論風冷還是水冷工況，FF900R17ME7比FF600R17ME4的損耗更低，輸出能力更強，可以實現更高的電流密度。同理，在SVG應用中，FF750R17ME7D的損耗和FF900R17ME7相似，輸出能力略高於FF900R17ME7，這兩款新產品的損耗均比FF600R17ME4低很多，因而可以實現更高的輸出能力。本文的仿真結果均基於理想工況，IGBT模塊在實際系統中的損耗和輸出能力應以實際系估為準。
參考文獻
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4. FF750R17ME7D_B11, datasheet.
5. FF900R17M7_B11, datasheet.
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