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多年來，市場(chǎng)對(duì)功率半導(dǎo)體的需求一直在增加，需要功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的小型化、成本的降低和性能的提高。這種性能增益是通過增加給定封裝尺寸的輸出功率來實(shí)現(xiàn)的，這與系統(tǒng)內(nèi)的高溫密切相關(guān)。由于在高溫下的功率循環(huán)次數(shù)減少，這會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品壽命縮短的風(fēng)險(xiǎn)。
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圖 1：
具有兩個(gè)特征輸出端子的 PrimePACK?3+ 外形。圖片由?Bodo 的 Power Systems提供。
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由于這種現(xiàn)象，富士電機(jī)接受了開發(fā)能夠承受這些更高性能水平的芯片和封裝的挑戰(zhàn)，并在幾年前推出了第 7 代“X 系列”IGBT 模塊技術(shù)。通過降低功耗，它結(jié)合了高功率密度和高可靠性。此外，富士電機(jī)還開發(fā)了 RC-IGBT 技術(shù)，將 IGBT 和 FWD 集成在一個(gè)芯片中。這不僅可以通過保持相同的額定電流水平來減少芯片數(shù)量和芯片面積，甚至可以實(shí)現(xiàn)更高的電流。
通過將 X 系列技術(shù)與 RC-IGBT 技術(shù)相結(jié)合，可在相同封裝尺寸下增加額定電流并減小功耗。RCIGBT 產(chǎn)品組合的可靠性超過了傳統(tǒng) IGBT 模塊的水平。在本文中，富士電機(jī)介紹了用于工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)稱電壓為 1,700 V（和 1,200 V）的 PrimePACK?3+。
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圖 2：
?X 系列 RC-IGBT 和等效電路的示意圖。圖片由?
Bodo 的 Power Systems
提供。
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RC-IGBT技術(shù)
RC-IGBT 技術(shù)將 IGBT 和 FWD 區(qū)域的模式與合適的結(jié)構(gòu)結(jié)合在一個(gè)芯片上。有源面積占總芯片面積的比例增加，因?yàn)樾酒倪吘壗K端相對(duì)減少，并在模塊外殼中為更大的芯片產(chǎn)生更多空間，以獲得更高的輸出電流。另一個(gè)好處是擴(kuò)展的芯片面積大大降低了結(jié)和外殼之間的熱阻 R th(jc)。
較大的芯片面積就像一個(gè)熱緩沖區(qū)：IGBT 區(qū)域產(chǎn)生的熱量也傳遞到 FWD 區(qū)域，反之亦然。因此，RC-IGBT 的 I2t 能力是前代 V 系列產(chǎn)品的 3.8 倍。
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圖 3：
?150 攝氏度時(shí)的I 2 t 能力。圖片由?
Bodo 的 Power Systems
提供。
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開關(guān)波形（圖 4-6）是在 150 攝氏度高溫下拍攝的，強(qiáng)調(diào)了 RC-IGBT 芯片的平穩(wěn)運(yùn)行。過電流和過電壓峰值很整齊，并且振蕩發(fā)生在非常有限的水平上。尾電流非常小，可以防止關(guān)斷過程中出現(xiàn)大的能量損失。
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圖 4：
在 150 攝氏度時(shí)開啟的開關(guān)波形。V CE和 I C的平滑開關(guān)，沒有更大的振蕩。圖片由?
Bodo 的 Power Systems
提供。
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圖 5：
在 150 攝氏度時(shí)關(guān)斷的開關(guān)波形。小尾電流防止了大能量損失的存在。圖片由?
Bodo 的 Power Systems
提供。
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圖 6：
?150 攝氏度時(shí)反向恢復(fù)的開關(guān)波形，振蕩非常低。圖片由?
Bodo 的 Power Systems
提供。
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一些正確的 RC-IGBT 設(shè)計(jì)和使用示例描述了這些優(yōu)點(diǎn)：
大型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，其中 IGBT 模塊通常并聯(lián)連接以擴(kuò)大輸出電流。這種拓?fù)渫ǔＰ枰罅肯到y(tǒng)空間和精心規(guī)劃的電氣設(shè)置，電流不平衡最低。光伏系統(tǒng)以相對(duì)恒定的功率正常運(yùn)行。在過去使用兩個(gè) 1,400 A PrimePACK? 的情況下，現(xiàn)在可以用一個(gè)額定電流為 2,400 A 的 RC-IGBT 模塊替換它們，從而將占位面積減少 50%。模擬和現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)顯示并強(qiáng)調(diào)了這種技術(shù)飛躍的好處。
大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電機(jī)啟動(dòng)期間具有低輸出頻率。這是最關(guān)鍵的階段，因?yàn)樨?fù)載在單個(gè)芯片上占主導(dǎo)地位的時(shí)間相對(duì)較長。由此產(chǎn)生的高溫波動(dòng)會(huì)對(duì)芯片連接的鍵合線連接造成熱應(yīng)力，并最終降低功率循環(huán)壽命。通過應(yīng)用 RC-IGBT 技術(shù)及其更大的相對(duì)芯片面積，這些溫度波動(dòng)大大降低，從而延長了使用壽命。如果此類應(yīng)用有兩個(gè) V 系列（第 6 代 IGBT）模塊并聯(lián)使用，則可以將它們與 X 系列的單個(gè) RC-IGBT 模塊互換，從而延長使用壽命。
在風(fēng)電應(yīng)用中，輸入的風(fēng)電被一些電力電子設(shè)備轉(zhuǎn)換兩次。在發(fā)電機(jī)側(cè)，逆變器將提供交流電的風(fēng)力渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為直流電。渦輪旋轉(zhuǎn)緩慢啟動(dòng)，高負(fù)載對(duì) IGBT 和 FWD 造成很大壓力。RC-IGBT 芯片可以防止這些高溫波動(dòng)。在電網(wǎng)側(cè)，電能被轉(zhuǎn)換回交流電并饋入電網(wǎng)。雙方需要履行不同的角色，因?yàn)楣δ芤膊煌Ｈ欢瑢?duì)更高性能的需求將這些 AC/DC 和 DC/AC 轉(zhuǎn)換器結(jié)合在一起。RC-IGBT 技術(shù)有助于將系統(tǒng)的輸出電流提高到之前 V 系列技術(shù)解決方案的 165%。
1,800 A 第 7 代 IGBT 模塊與 2,400 A RC-IGBT 模塊的運(yùn)行比較強(qiáng)調(diào)了采用 RC-IGBT 技術(shù)的模塊具有更長的使用壽命。由于相同輸出電流下的溫度波動(dòng)較小，因此使用壽命大大增加。
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圖7：
計(jì)算條件：I o =Vari., f c =3kHz, f o =50Hz, V cc =600V, pf=0.9, m=1.0, R G =+0.22/-0.22Ω(X), +1 /-1Ω(V), Rt h(sa) =0.006K/W, R th(cs) =0.0014K/W (使用3W導(dǎo)熱硅脂), Ta =50deg.C . X系列模塊與RC-IGBT連續(xù)工作時(shí)IGBT T vj(max)與I o關(guān)系的計(jì)算結(jié)果。圖片由?
Bodo 的 Power Systems
提供。
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圖 8：
在電機(jī)啟動(dòng)期間增加輸出頻率模式和溫度擺幅 ΔT vj 。（上）計(jì)算條件：I o =Vari., f c =3kHz, f o =1Hz, V cc =600V, pf=0.9, m=0.01, R G =+0.22/-0.22Ω(X), +1 /-1Ω(V), R th(sa) = 0.006K/W, R th(cs) = 0.0014K/W (含3W導(dǎo)熱硅脂), T a =50℃, 低頻啟動(dòng)至連續(xù)健康）狀況。（下）圖片由?
Bodo's Power Systems
提供。
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利用 RC-IGBT PrimePACK? 的另一種方法是通過用四個(gè) 2,400 A RC-IGBT PrimePACK? 替換 16 個(gè) 600 A Dual XT 模塊來實(shí)現(xiàn)更小的占位面積。除了使系統(tǒng)更易于控制的驅(qū)動(dòng)器單元數(shù)量減少外，占用空間也縮小到僅初始系統(tǒng)大小的 40%。隨著各種 RC-IGBT 封裝產(chǎn)品陣容的增加，這種小型化趨勢(shì)在未來將更加普遍。
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圖 9：
常見的第 7 代 X 系列 1800A 模塊和同樣使用第 7 代 X 系列 IGBT 的 RC-IGBT 2400A 模塊的結(jié)溫?cái)[動(dòng)曲線比較。RC-IGBT 在相同的輸出電流下實(shí)現(xiàn)了較小的溫升。計(jì)算條件：I o =Vari., f c =3kHz, f o =5Hz, V cc =1200V, p f =-0.9, m=1, Standard R G , R th(sa) =0.0047oC/W, R th(cs) =0.0014°/W（使用 3W 導(dǎo)熱硅脂），Ta = 35°C。（上）功率循環(huán)能力曲線比較顯示了 2400A RC-IGBT 的統(tǒng)計(jì)預(yù)期壽命增加。（底部）圖片由?
Bodo's Power Systems提供
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圖 10：
?X 系列 IGBT 模塊的陣容，與前身 V 系列相比，還包括 RC-IGBT 技術(shù)。圖片由?Bodo 的 Power Systems提供。
富士電機(jī)的 PrimePACK? 產(chǎn)品組合專為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可在 1,700 和 1,200 V 級(jí)提供高達(dá) 2,400 A 的額定模塊電流。與傳統(tǒng)的 X 系列技術(shù)相比，這增加了 33% 的標(biāo)稱輸出功率。由于輸出端子產(chǎn)生熱量，處理 2,400 A 的電流具有挑戰(zhàn)性，因此選擇了具有兩個(gè)輸出端子的 PrimePACK?3+ 封裝。
RC-IGBT技術(shù)增加的輸出功率有助于提高功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能。在相同的占位面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的電流支持系統(tǒng)的持續(xù)小型化。富士電機(jī)在 PrimePACK?3+ 中提供這項(xiàng)技術(shù)以滿足市場(chǎng)需求，并努力實(shí)現(xiàn)安全、可靠和可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)。
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