IGBT器件及应用的技术动向

       1、前言

交流变频器的核心器件是电力电子器件。IGBT(绝缘栅双极晶体管)由于其可靠性高、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高的特点,在通用变频器领域IGBT模块已xx取代了GTR模块(大功率晶体管)，而在各种通用变频器中IGBT模块的应用充分体现了当今电力电子器件的发展动向。IGBT的技术动向是:采用沟槽结构，减小通态压降，改善其频率特性;其次采用NPT技术实现IGBT的大功率化;再就是充分满足应用需求简化逆变器驱动和保护电路设计，便于并联和安装。高压IGBT的开发和应用有力促进了大功率电机变频调速及牵引调速传动的发展，其正不断扩大中压变频调速器应用范围并使其具有高可靠性和优异的性能价格比。

2、通用变频器中的IGBT模块

目前，IGBT制造上主要有两种结构即PT穿通结构和NPT非穿通结构。EUPEC公司为进一步改进IGBT特性设计了沟槽结构，这种新结构改善了IGBT的通态特性，提高了硅片利用率;NPT型IGBT具有开关损耗小，正温度系数，易于实现高压的特点;与PT 型IGBT相比，NPT型IGBT在通态损耗下降了20％。IGBT产品也有多种形式，模块化结构有一单元(一个IGBT与一个续流二级管反向并联)、二单元、四单元、六单元及七单元,高压IGBT有模块及平板和片状IGBT元件。IGBT的使用必须满足两个条件:一是在关断过程中，集电极峰值电流必须处在开关安全工作区内(小于两倍的额定电流Ic)，二是IGBT的工作结温必须保持在Tj(max)(150℃)以下,下面介绍二种常用结构。

2.1 六单元IGBT模块(三相逆变桥电路)

小功率变频器多采用六单元结构的IGBT模块，其将六只IGBT封装在一个模块内，构成一个完整的三相逆变桥电路。{zx1}的六单元IGBT模块由高速、低耗的功率IGBT芯片、检测电路、保护电路及栅极驱动电路集成而成的，其方便了用户的产品设计，减少了组装的元件数，同时，其通态损耗和开关损耗都比较低，整体散热尺寸减小，从而使整机尺寸减小，由于六单元功率模块的不断改进，小容量变频器市场竟争尤为激烈。以富士电机FVR-E11S为例，3.7kW高度仅为130mm，在7.5KW以下一般都采用六单元结构的IGBT模块，目前六单元IGBT模块容量已达到300A/1200V×6以方便整机应用。

2.2 二单元模块(两个一单元串联构成一个桥臂)

二单元模块目前可提供的器件为625A/1200V或400A/1700V，各变频器生产厂家可用这些模块的不同组合生产出11kW到315kW的通用变频器。EUPEC公司采用沟槽结构的IGBT通态压降低于2V，关断损耗减少了20%,而其经济封装结构降低了变频器生产成本，方便安装，简化了整机生产。富士电机 P系列IGBT采用NPT工艺，通态压降与温度成正比，1400V比普通IGBT有更大的安全工作区，低损耗，软开关，大大降低了EMI噪声。采用富士电机新一代IGBT生产的变频器FRN G11/P11系列容量从0.2到400kW其具有较高的可靠性。EUPEC公司BSM200GB120DN2(290A/1200V)IGBT模块是变频器生产较常用的器件，图1为其典型的Ic=f(VCE)输出特性。

3 高压IGBT及在中压变频器中的应用

目前EUPEC已可提供FZ1200R33KF2(1200A/3300V)高压 HV-IGBT，其主要特点是NPT结构IGBT关断过程中下降时间短、拖尾电流小，栅极发射极电压仅为15V，触发功率低，关断损耗小，di/dt、dv/dt都得到了有效控制，其IGBT芯片具有正电阻温度系数易于并联，使IGBT大功率化。高压IGBT的计算机模拟设计的出发点是控制IGBT芯片的并联和芯片内部RLC网络的特性;IGBT的内部低电感设计和IGBT的引线等可靠性设计。随着IGBT技术的成熟，模块正向统一和标准化方向发展。图2 FZ1200R33KF2的反偏安全工作区特性曲线。西门子公司采用高压HV-IGBT和三电平技术开发了MV系列中压变频器，由于采用HV-IGBT器件，使MV系统结构简单紧凑，可靠性高，目前已有数十套装置已投入运行。HV-IGBT高压IGBT的应用前景十分广阔，日本富士公司将{zx1}型片状高压IGBT用于新干线主变换装置，降低了新干线在运行时的马达噪音;相同功率的IGBT牵引变换装置的体积和重量比GTO变换装置约减小1/3～1/2。

ABB公司采用平面低电感封装技术(FLIP)生产的内部电感只有3nH的1200A/3300V平板压接式IGBT，其体内结构采用透明p+、软穿通SPT基区，终端采用多重平面环保护。

SPT型IGBT通态压降及关断损耗可减小20%，增大了IGBT芯片的额定电流密度，具有软开关波形，易于并联。

    单元串联多电平中压变频器是由多个低压功率单元串联叠加实现高压输出。目前富士电机、三菱电机及国内多个厂商可提供这种结构的中压变频器。富士电机3.3/6.6kV IGBT变频器充分发挥了电力电子器件生产厂家的优势，其功率单元采用了其新型高压IGBT构成单相三电平变频器见图3，主回路器件明显减少，可靠性提高，根据具体需求，分别采用了1400V及3300V高压IGBT构成单相三电平变频器，从而减少了中压变频器中每相功率单元串联的数目，简化了系统结构。