【導讀】較高的切換效率在需要輸出過濾器或升壓/降壓抑制的應用中，帶來的好處是不言而喻的。就拿太陽能變頻器來說就有這種妙用。太陽能變頻器以其高效率和功率密度的優勢足以承受高成本壓力。現如今高速絕緣閘雙極電晶體(High Speed IGBT)已經達到了太陽能功率模組中的理想標準。
本文將說明650伏特(V)IGBT3、650V IGBT4及650V高速IGBTHS3 IGBT三者應用在功率模組上的差異。結果顯示，依據裝置設計，650V HS3 IGBT將能提供最理想的效能，用做高效率的切換開關。
對阻斷電壓介于600~1，200V的現代IGBT而言，溝槽場截止(Trench-Field-Stop)技術是最常見的概念。這項技術一方面可讓裝置執行低導通電壓及軟切換，另一方面可降低切換損耗并提供高頻率應用，類似金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)的切換效能。
溝槽場截止降低IGBT靜態損耗
搭載這項技術的元件效能主要由晶格尺寸、晶片厚度及摻雜分布等設計參數控制。設計人員透過調整這些參數，便能讓元件在漂移區的高載子密度增加。此類元件提供低VCE(sat)，降低靜態損耗；于關斷期間，高載子密度會減慢元件清除速度，增加動態損耗。因此，IGBT除了可用于太陽能變頻器或升壓器之類需要低動態損耗元件的高頻率應用，也適用在需要低靜態損耗的低頻率應用。
具低關閉損耗 HS3 IGBT適合高頻應用
測量時使用50安培(A)額定集極電流的650V IGBT3、650V IGBT4及650V HS3 IGBT，透過測量切換損耗來決定晶片的電子效能。測量時，將每個晶片整合在具有相同電路及17奈亨(nH)雜散電感的EasyPACK 2B功率模組。由于導通損耗EON主要受使用的飛輪二極體影響，所有晶片在運作時皆使用額定電流IF=30A的650V射極控制二極體。
除非另行指定，所有測量均在實驗室中依下列條件進行：采用整合式電流探針且雜散電感為L=25nH；直流連結電壓設為VDC=400V，符合一般應用電壓，晶片以IC=50A的額定集極電流運作；IGBT驅動使用閘射極電壓VGE=±15V。所有測量均在Tvj=25℃下執行。晶片的切換運作皆在上述設定下測量，從開通及關斷波形中擷取出對應的能源和特性切換參數。
圖1顯示HS3 IGBT、IGBT3及IGBT4在相同切換參數下的切換損耗。于開通及關斷時分別達到di/dt=1.5千安培(kA)/微秒(s)和dv/dt=4.5千伏特(kV)/s的條件設定RG。HS3 IGBT具有最低的切換損耗EON及EOFF，且加總的Etotal不及IGBT3的一半。圖1中插圖顯示HS3 IGBT的EON和di/dt與RG的關系，RG升高時，EON升高，而di/dt降低；尤其在RG1kA/s，而較高的RG將使di/dt低于0.5kA/s。
圖1
針對HS3 IGBT、IGBT3和IGBT4，開通時在相同的di/dt下，關斷時在相同的dv/dt下，EON、EOFF和Etotal的切換能量比較。上方插圖為HS3 IGBT的EON和di/dt與RG的關聯。HS3具有低關閉損耗，表示其切換效能優異。因此，HS3 IGBT最適合高頻率應用，其藉由權衡EOFF和VCE(sat)，可提供低動態損耗。由于HS3 IGBT使用高閘極電阻，使其具有高導通損耗，同時帶來極低的di/dt。為補償此特性，必須大幅降低導通閘極電阻，其中一種可行的實作方式是使用較為精密的閘極驅動設計，讓HS3 IGBT可用做非常高效率的切換開關。
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RG設定影響HS3 IGBT切換效能
前文顯示HS3 IGBT在高頻率應用上大幅超越IGBT3及IGBT4，接下來要測量的是HS3 IGBT在操作條件下的效能。在一般的太陽能變頻器操作條件下，HS3 IGBT大部分將以低于額定晶片電流的集極電流運作；此外，直流連結電壓可能會隨廣泛的電壓范圍變化。因此，以下將分析HS3 IGBT在150~450V的直流連結電壓范圍，以及集極電流達到額定晶片電流下的切換損耗。
測量時，閘極驅動電路使用RG=15。圖2顯示HS3 IGBT切換損耗與直流連結電壓的關聯，當VDC較低時EOFF也較低，且會隨著VDC提高呈線性增加，而較高的集極電流則會提高關斷損耗；相較之下，可發現EON的提高與VDC和IC不成比例，在IC=10A時，EON相對于VDC的斜率幾乎為恒定；在IC=30和50A時，可發現VDC300V時的斜率變大。在插圖中，非等比例的提高也同樣發生在Etotal。
圖2
HS3 IGBT切換能量EON和EOFF與直流連結電壓在IC=10、30和50A的關系。上方插圖為HS3 IGBT的Etotal與直流連結電壓IC=10、30和50A的關系。這些測量顯示，相較于導通損耗，HS3 IGBT的關斷損耗對裝置效能的影響極為輕微，當VDC300V，IC30A時，導通損耗非等比例的提高，可在低集極電流下得到最高效率；較大的VDC和IC會提高導通損耗，與di/dt降低有所關聯。此效應為HS3 IGBT的特性，且和裝置設計有關。要補償此效應的方法之一，就是降低RG，進而降低軟化度(Softness)。
使用高切換速度的裝置時，伴隨應用而來的需求之一，就是必須降低設定中的雜散電感。因此，模組及設定兩者都必須提供低電感，以避免寄生效應。與雜散電感緊密相關的兩個常見效應包括集射極的過電壓峰值VPeak，以及關斷和開通期間集射極電壓下降導致的切換損耗降低。
圖3顯示在相同的切換參數，VDC=400V，di/dt=1.5kA/s和dv/dt=7.2kV/s，及VDC=300V，di/dt=1.6kA/sdv/dt=6.0kV/s下，HS3 IGBT的切換損耗和過電壓峰值相對于設定的雜散電感。提高L時，關斷能量會稍微提高，而開通能量則會大幅降低，因此，提高L將會降低總切換能量，這個一般性趨勢與直流連結電壓無關；另一方面，較高的L將使VPeak提高，因此使用的直流連結電壓將受到限制。對策之一就是提高RG以降低切換速度，但這樣卻會提高切換損耗。
圖3
HS3 IGBT切換能量EON和EOFF及VPeak與VDC=300和400V雜散電感的關系。上方插圖為HS3 IGBT的Etotal與雜散電感VDC=300和400V的關系。提高設定的雜散電感可降低IGBT的Etotal，因為降低EON的影響遠高于提高EOFF。由設定或二極體急變的諧振頻率所導致的振蕩等寄生效應，將產生電磁干擾，這也必須在應用中加以考量。 [page]
HS3 IGBT具備低損耗/高輸出電流
為分析不同切換頻率的裝置效能，使用IPOSIM模擬變頻器效能。為了能夠進行比較，圖1所示的HS3 IGBT和IGBT3的動態損耗也考量在內。在模擬中，計算出輸出功率4千伏安(kVA)的單相H型電橋的輸出電流，并考量以下的操作條件：輸出電流IOUT設為17.4ARMS，功率因子使用1.0；此外，調變指數為0.8，直流連結電壓為400V。這兩款裝置使用相同的熱狀況，將散熱片溫度固定在80℃。
圖4顯示H橋變頻器在上述操作條件下模擬的半導體功率損耗PLosses。從H橋變頻器的分析顯示，IGBT3的靜態損耗只有HS3 IGBT靜態損耗的70%;提高切換頻率f時，動態損耗變得很明顯，在f=7.5kHz時，HS3 IGBT的整體損耗等于IGBT3的整體損耗，如圖4星號部分顯示;當進一步提高切換頻率時，此效應更為顯著，而且可清楚發現HS3 IGBT的優點在高切換頻率下更為明顯。
圖4
左側：HS3 IGBT和IGBT3在H橋變頻器拓撲的模擬半導體功率損耗與切換頻率的關系。模擬的功率損耗為H橋變頻器的功率損耗，而非單一晶片；右側：HS3 IGBT和IGBT3最高可達到的輸出電流與切換頻率的關系。
圖4右側顯示最高可達到的輸出電流，計算時使用了上述的操作條件，其中IOUT不是固定值，會受裝置最高接面溫度限制；當提高頻率時，IOUT隨之下降，在低切換頻率時，IGBT3的最高輸出電流高于HS3 IGBT；在f=7.5kHz時，HS3 IGBT的輸出電流高于IGBT3的輸出電流。HS3 IGBT和IGBT3兩者IOUT的差異，在較高的切換頻率下更為顯著。
閘極驅動設計發揮HS3 IGBT效能
本文提出HS3 IGBT、IGBT3和IGBT4的比較，當中顯示HS3 IGBT的切換損耗少了兩倍，在高頻率應用的效能上大幅超越IGBT3及IGBT4。為了能善加發揮HS3 IGBT的切換效能，需要有針對應用最佳化的操作模式。因此，必須仔細考量操作電流和閘極電阻，針對后者，其中一種可能的方式就是使用更為精細的閘極驅動設計。
經過上面的講解，我們可以看出HS3 IGBT是一款經濟實惠的高效率切換開關，非常適合用在太陽能變頻器或不斷電系統(UPS)之類的高頻率硬切換應用。模擬的結果也支持這些發現，同時顯示HS3 IGBT適合在操作切換頻率超過7.5kHz的應用中，當做最新型的切換開關使用。
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