一种高频开关应用的新型1200VIGBT模块

　　1引言

　　如今节能的重要性日益显著，将IGBT模块用作开关器件的应用领域也不断拓展。为提高电能变换器的效率，研究者提出了很多新型拓扑电路，因而市场上对IGBT模块的需求也随之不断攀升。另一方面，由于IGBT的性能已经接近“硅限”，所以需要一种面向应用的IGBT模块设计。就是说，我们要专门为这些电路和应用而优化IGBT的特性。

　　我们开发了一种适合高频开关应用(如焊机、感应加热和医疗仪器用电源)的新型高速模块。为实现系统的高效率和小型化，这些应用的开关频率设定在20~50kHz [2] [3]。而在典型情况下，标准IGBT模块的优化，所针对的载波频率却是10kHz或更低。通常，在IGBT/FWD芯片的通态压降和开关损耗之间有一个折衷关系。高速模块在进行性能折衷时，是让通态电压偏大，以换取偏低的开关功耗，从而能在高频应用中实现最低的总功耗。

　　本文介绍了新开发的IGBT模块的设计理念。由于开关频率范围是20~50kHz或更高，因此在这些应用中开关损耗(开通、关断以及反向恢复损耗)是主要的功耗。

　　2高开关频率应用电路

　　焊机和感应加热的典型电路图如图1所示。该电路由功率因数校正斩波器和半桥直流-直流变换器构成。在这个电路中，半桥电路采用了一个二合一模块，功因校正电路采用了一个斩波器模块。其中，半桥电路要工作在高频，以降低输出纹波电流。

图1 焊机电路图

图2 半桥直流-直流整流器中的IGBT电流和VCE波形

　　图2给出了半桥变换器中IGBT模块的电流和电压波形。其中，T是开关工作的周期，TF是FWD的续流时间。这个续流时间很短，因为它是由变压器漏感引起的。此外，当IGBT开通时，IGBT的VCE已经变为零，所以半桥中的开通损耗小至可以忽略(零电压开关)。因此，在这个电路中，我们只对IGBT芯片提出低功耗要求。至于FWD，使用一个电流容量较小、具有标准开关速度的器件就足够了。

　　3高速IGBT模块的设计

　　我们为此研发了一种适用于高频领域的新型IGBT模块。本节将介绍其IGBT/FWD芯片的设计理念及其低热阻封装。

　　3.1 高速IGBT芯片的设计

　　在IGBT的开发中，我们非常关注通态电压(VCE(sat))和关断损耗(Eoff)之间的折衷，如图3所示。在高于20kHz的高频开关应用中，由于开关损耗在模块的总功耗中份额已经占优，所以降低开关损耗就变得非常重要。为了使20~50kHz开关频率下的总功耗降到最低，我们在设计IGBT芯片时将其性能设定在折衷曲线中VCE(sat) 偏高、Eoff偏低的位置上。