隨著(zhù)變流器廣泛應用于風(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(zhù)眼于高功率密度、高可靠性設計。IGBT結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計。
自IGBT被廣泛應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℃增加到現在的175℃，芯片厚度從原來(lái)的220μm減小到現在的小于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三者的折衷關(guān)系的改進(jìn)是功率半導體發(fā)展的目標，在此基礎上追求更高的允許運行結溫、更高的功率密度、更高的可靠性是功率半導體發(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(jiǎn)稱(chēng)IGBT5）的基礎上，重點(diǎn)描述了高功率變流器設計中遇到的損耗計算、熱設計，以及負載測試等問(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?？梢酝ㄟ^(guò)10μs的短路測試，芯片發(fā)射極表面覆銅（圖1）；通過(guò)采用銅綁定線(xiàn)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(jiǎn)稱(chēng)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(zhù)其通態(tài)損耗也更??；雙脈沖實(shí)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(kāi)通電阻與開(kāi)通損耗的關(guān)系曲線(xiàn)，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（因為本文的測試散熱器進(jìn)口溫度為30℃，客戶(hù)實(shí)際應用的需求一般為45℃），計算2只IGBT并聯(lián)后輸出電流的能力。從仿真結果（圖3）可以看出，在輸入參數相同的條件下，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
變流器的熱設計涉及到如何通過(guò)散熱器以及冷卻系統的設計把IGBT功率損耗通過(guò)導熱硅脂、散熱器導出，以確保功率半導體處于安全的工作范圍內。散熱器穩態(tài)熱阻測試是重要的一個(gè)環(huán)節，比較專(zhuān)業(yè)的動(dòng)態(tài)熱阻測試需要用到熱結構函數，在工程中也可以采用JESD51-14介紹的方法測試其穩態(tài)熱阻，以便于穩態(tài)熱仿真。散熱器的穩態(tài)熱阻一般可以表達為
——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(guò)測量IGBT的壓降以及電流計算出其損耗，通過(guò)J型熱電偶以及數據采集系統得到溫度測試值。測試條件為: 散熱器風(fēng)速10m/s；導熱硅脂采用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(shí)用紅外相機測試表面涂黑的IGBT芯片溫度。根據式（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。
負載測試平臺為三相結構，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(cháng)度方向布置（圖4（a））。每個(gè)散熱器采用一個(gè)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(chēng)電感負載，電感值450 μH。驅動(dòng)采用2ED300C17芯片，一個(gè)驅動(dòng)核驅動(dòng)2支IGBT，IGBT適配板上有推挽三極管，以放大驅動(dòng)能力并確保驅動(dòng)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(kāi)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）：組件結構布局
圖4（b）：測試平臺
在負載測試過(guò)程中，為監控散熱器溫度，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型測溫熱電偶，如圖5中1-6所示，其左側為散熱器布局圖，右側為IGBT/二極管芯片布局圖，藍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(xiàn)。試驗結果表明，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，散熱條件相對比較差，這也意味著(zhù)散熱器設計邊緣留有余量會(huì )有助于降低IGBT芯片溫度。進(jìn)口溫度一定時(shí)，在測試范圍內，散熱器的溫度幾乎隨電流呈線(xiàn)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(lái)的誤差）。
圖5：散熱器開(kāi)孔（左）以及對應IGBT芯片布局圖（右）
圖6：散熱器溫度與電流的關(guān)系曲線(xiàn)（入口空氣溫度29℃）
觀(guān)測IGBT結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，對兩種不同IGBT的測試結果如圖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(shí)，散熱器特征溫度為118℃，而在該電流下IGBT5的對應溫度約為84℃；在電流為1 050 A時(shí)，IGBT5 對應的散熱器溫度為120℃。根據以上仿真結果可以計算IGBT損耗，進(jìn)而通過(guò)公式（2）計算得到該測試條件下的平均結溫。
——結殼熱阻； 
——殼到散熱器熱阻。
在變頻器熱設計中，模塊自帶的NTC（熱敏電阻）可以作為溫度輸入，但是在設計中需要建立相應的熱模型，其中一種方法是通過(guò)測試得到不同輸出電流時(shí)NTC與仿真結溫的關(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(xiàn)，從圖中可以看出，本文中兩種模塊的芯片結溫與NTC溫度顯示出高度的線(xiàn)性關(guān)系，由此可以通過(guò)數據擬合的方式得到兩者之間的方程。這一試驗結果為變頻器的熱設計和熱保護提供了一種適合于工程應用的經(jīng)驗。
圖7：IGBT芯片平均結溫計算值與模塊NTC溫度顯示值的關(guān)系曲線(xiàn)
本文描述了基于.XT 的第五代IGBT特點(diǎn)，通過(guò)仿真計算比較了IGBT4 和IGBT5 的損耗和結溫，通過(guò)負載試驗測試了組件的主要電氣參數以及溫度。仿真及試驗結果都表明IGBT5 FF1800R17IP5 模塊的輸出電流能力比IGB4 FF1400R17IP4高30%左右； 另外IGBT芯片結溫與模塊NTC顯示溫度存在高度的線(xiàn)性關(guān)系。本文的試驗結果為客戶(hù)設計高功率變頻器提供了新的模塊解決方案，為變頻器熱設計以及熱保護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確地測到IGBT芯片溫度結溫。（英飛凌igbt廠(chǎng)家）
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