4.5kV IGBT/二极管芯片组在高压直流输电领域的应用

　　制造商已经为高压直流 （HVDC） 应用开发出新的 4.5kV 绝缘栅双极晶体管 （IGBT）/ 二极管芯片组并对其性能进行了优化 。这种芯片组的特点是导通电压损耗非常低、具备大电流高电压快速开通行为和高鲁棒性的短路行为。在 IGBT 和二极管上应用 HDR 技术，可以获得高鲁棒性。4.5kV 级芯片组的出现，是对现有 3.3kV 和 6.5kV 高压级芯片组产品的补强。该芯片组有两种不同的外壳可供选择：

　　第一个芯片组采用高度绝缘 6.5kV 模块外壳，提供 10.2kV 隔离能力，具备的爬电距离和间隙距离能应付带 2500-3000V 直流母线电压的牵引应用的恶劣环境。第二个芯片组是为 IHV-B外壳设计的，是用途遍及全球的著名 IHV-A 模块的接班者。该模块适合在工业应用中使用，例如中压变频器和各种高压直流 （HVDC） 场合，也适合在柔性交流输电系统 （FACTS） 应用领域使用。模块参见图 1。

　　图 1：4.5kV FZ1200R45HL3 模块的封装

　　为未来的 HVDC 系统 – 相较于众所周知的基于晶闸管的并网换相高压直流传输，这些基于 IGBT 的电压源转换器 （VSC） 将会对未来的 HVDC 系统起到重要的作用。基于 IGBT 的解决方案依赖于独立的有功电流和无功电流控制，而这种控制又是借助 IGBT 的导通和关断功能实现的。此外，它们在应付交流电网故障方面还表现出了优越的性能。

　　在高压应用领域，需要以串联方式连接大量的半导体，而且必须保证高精度的同步开关。为了更好地满足如此苛刻的设计要求，建议在 HVDC 和 FACTS 等高压应用中使用多电平 VSC - 模块化多电平变换器 （MMC）。在 HVDC 应用中，单个 IGBT 模块的开关频率可以降低。因此，低通态损耗对于降低总功耗的作用尤其令人感兴趣。

　　IGBT 和二极管的结构

　　IGBT 沟槽技术因为单元之间的载流子累积作用、单元间距和沟道长度经过优化、并且有专为高阻断电压而设计的沟道宽度，所以通态损耗很低。因此，沟槽技术提供了一种影响单元下载流子浓度的可行办法，并且影响范围比标准平面技术的更宽。图 2 描绘的是 4.5KV IGBT/ 二极管的剖面示意图。两种设备都采用了 VLD 结构（横向掺杂）进行边缘终结。这种结构与垂直 HDR 结构相结合，令开关序列期间的动态雪崩现象减少，从而赋予 IGBT 极高的关断鲁棒性，赋予二极管极高的整流鲁棒性。

　　图 2：适用 HDR 和 VLD 边缘终结的 IGBT（左）和 EC 二极管（右）的剖面示意图

　　电气性能

　　1）静态特性

　　为了实现4.5KV IGBT 较低的导通状态电压，特意对众所周知的 6.5KV 器件平台沟槽技术进行了调整。做法是选用合适的基体材料并且采用经过调整的场截止（field stop） 和经过优化的电池设计，赋予 4.5kV 器件同类最佳的通态特性。基于 FZ1200R45HL3 模块的标称电流 1200A，获得了典型的 VCE（sat）=2.35 V@25℃，VCE（sat）=2.9V@125°C 和 VCE（sat）=3.0V@150℃。EC 二极管在电流等于标称电流 1200A 时表现出几乎呈中性的温度系数，在 25°C ≤ T ≤ 150°C 的温度范围内表现出典型的正向压降并且 Vf≤2.5V。

　　2）动态特性

　　额定条件下，即 VCE=2.8kV，IC =1200A 和 T=150℃ 的开关波形如图 3 所示。在这些条件下，可以发现存在换向电感为 150 nH 的软关断行为。VCE 不超过 3.4kV。在更加苛刻的条件下，即有杂散电感更高、电流更大、工作温度低至 -40°C 时，软关断也能保证。典型的接通和反向恢复波形也被描绘成图，图中可以看到非常平滑的 IF 尾部渐变。

　　图 3：典型波长 @ 800V / 1200A， 150µH， 150°C

　　关断： VCE=400V/div， IC=150A/div， Rgoff=5.1 W ， VGE=5V/div

　　接通：VCE=350V/div， IC=300 A/div， Rgon=1.2 W ， VGE=5V/div

　　反向恢复： VCE=500V/div， IC=500A/div， Rgon=1.2 W

　　高电压和高电流下开关

　　在 HVDC 应用中，确保在发生故障时，IGBT 能在高电压、大电流条件下及时表现出快速开通行为非常重要，已对器件在超出 RBSOA 限制的此等条件下的耐用性进行了评估。

　　沟道宽度是 IGBT 可采用的、针对可预测的失效事件而调整开通行为的参数。沟道宽度增加，可获得快速导通性能。但同时，沟道宽度增加，短路电流也会随之增大，所以要受短路能力的限制。因此，必须在开通性能与短路能力之间寻求平衡，或者也可以通过增强 IGBT 的垂直结构同时满足提升开通性能和增强短路能力两个要求。

　　3）短路能力

　　为了证明 IGBT 的 1 型短路能力，对其施加 VCE=3000V、VGE=17V 和 T=125℃的苛刻条件。9500A，接近标称电流的 8 倍，被成功关断。

　　垂直的 IGBT 结构经过优化，延长短路时间下限直至器件失效。图 4 显示了一个短路波形。短路事件可以由 IGBT 模块 FZ1200R45HL3 来处理，即使在 10μs 的短路持续时间之后，该装置依然能够提供可靠关断。

　　图 4：短路波形 @ 3000V， 125°C， VGE=17 V （VCE=500V/div， IC=1.3kA/div， VGE=10V/div）

　　4）IGBT 和二极管的鲁棒性

　　在高压直流应用以及牵引应用中， IGBT 和二极管能够凭借其具备的高过流关断能力提高系统的可靠性。

　　采用 HDR 概念后，终结系统对 IGBT 的鲁棒性的影响可以忽略不计。只有单元设计会构成限制因素。沟槽结构容许进一步降低 IGBT 的源极长度。因为电流密度与源极长度成反比地减少，所以沟槽 IGBT 的闭锁免疫力得到了有效地改善，并且获得优异的关断耐用性，具体表现在能开关 比标称电流高 4 倍的电流而不导致电流或电压信号发生严重振荡。

　　除了低通态电压外，新的 4.5kV EC 二极管还表现出低动态功耗和非常高的鲁棒性。已经在 Pmax≥4MW 条件下对 200A 标称电流模块进行了二极管恢复测试，测试结果证明二极管没有损坏。

　　5）浪涌电流能力

　　发生输电线路短路等故障时，在二极管工作期间可能遭遇到高浪涌电流等失效条件。因此，承受高浪涌电流的能力是考察模块可用性的一个重要标准。可通过优化垂直设计降低 VF 并且运用 HDR 概念，获得足够的抗浪涌电流能力。一个 IC =1200A 的模块，典型的 IFSM 值可达到 10kA 左右，相当于 125°C 下 I2t 等于 500 kA2s，150℃下 I2t 等于大约 500 kA2s。

　　6）宇宙辐射的鲁棒性

　　4.5kV IGBT 和发射极控制二极管的设计决定了它们相对宇宙辐射具有较强的鲁棒性。垂直器件结构在典型的直流母线电压下表现出低电场强度。已测明 FZ1200R45HL3 模块在 ~3kV 直流母线电压下的典型失效率 （FIT），即 109 小时运行时间内的失效数为 100 FIT。除了阻断直流母线电压期间的稳定状态以外，开关运行下的宇宙辐射鲁棒性也被考虑到了。模拟实验证实，dV/dt≤ 2kV/μs 情况下的额外动态 FIT 率可以忽略不计，因为器件内部电场有限。

　　总结

　　新近推出的 4.5KV 沟槽场截止 IGBT 和发射极控制 EC 二极管专为工业应用而设计，采用 IHV-B 封装者尤其适合用于高压直流应用场合。该 IGBT 和二极管具备非常低的通态电压和快速开启 IGBT 开关的行为，尤其适合在超出标准的条件下的高电压大电流环境下使用。同时，FZ1200R45HL3 模块还显示出了优秀的短路性能。此外，过流关断试验也证明了 IGBT 和二极管出色的鲁棒性。新器件的最高设计工作温度为 150℃。这些功能都是通过运用 HDR 技术调整沟槽单元设计以及 6.5kV IGBT 的垂直结构来实现的。