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