引 言

在風力發電、高壓直流輸電系統和工業傳動等多個應用領域，為了滿足用戶對更高可靠性、功率密度增加和穩定性的要求，大電流功率模塊成為了新的發展趨勢。伴隨著功率密度的提升，所引起的開關損耗等問題會導致 IGBT 器件過熱，工作壽命縮短甚至失效。基于此，英飛凌結合創新的IGBT5芯片和.XT 技術，設計出新一代PrimePACK? 功率模塊。本文將介紹IGBT5的產品基本特點以及相關的導通和開關電氣特性。同時，結合實際客戶應用需求，進行系統功率測試突顯新一代產品帶來的優勢和價值，并推薦新能源應用中的基本系統方案。

IGBT5介紹

IGBT5 芯片采用溝槽柵-場終止（Trench-FieldStop）技術，最高工作結溫Tvj.op達到175 ℃，芯片厚度比IGBT4減少10um，單芯片IGBT5額定電流可以達到300A，搭載IGBT5的PrimePACK? 3+ 模塊采用雙交流母排端子結構，相比傳統的PrimePACK?模塊額外增加了一個交流功率端子，降低了電流在輸出端子部分的發熱量的同時增加了模塊電流密度。

新PrimePACK? 功率模塊有兩種典型的封裝形式，即PrimePACK? 2和PrimePACK? 3+。相比現有標準IHM 大功率模塊封裝，優勢在于更低的雜散電感和接觸熱阻，更高的工作結溫。在1200V和1700V條件下完全滿足污染等級3條件下的電氣間隙和爬電距離要求，模塊載流能力強且機械強度和抗振性能良好。在保持輸出電流不變的情況下，模塊壽命延長十倍，應用系統的輸出功率提高30%。此外，保持輸出功率不變的情況下可以降低冷卻要求。PrimePACK? 3+封裝外形尺寸與前一代的PrimePACK? 3基本相同，多個模塊可以并排，容易實現更高的系統功率輸出。

圖1（a）所示為新PrimePACK? 3+模塊，內部由6個DCB并聯組成，內部等效雜散電感約為10nH。模塊半橋拓撲封裝的電流等級擴充至1800A，相比IGBT4代模塊提升了28%。圖1（b）為由4個DCB并聯構成的新PrimePACK? 2模塊，額定電流容量最高達到1200A，電流密度增長33%。兩種封裝根據功率差異性可適用于不同系統中，充分發揮最優的性能。

圖1（a） PrimePACK? 3+ IGBT5模塊

圖1（b） PrimePACK? 2 IGBT5模塊

電氣特性

因為采用了更薄的芯片厚度和優化的芯片結構，相比前一代芯片，IGBT5的導通壓降明顯降低。在相同的PrimePACK? 模塊封裝下對1700V IGBT5 P5和 IGBT4 P4進行測試，比較在25℃以及兩款芯片各自最大允許工作結溫下的輸出特性曲線。從圖2中在Tvj.op=25℃時，相同的輸出電流，IGBT5 P5集電極與發射極電壓比IGBT4 P4更低；工作在最高結溫時，即使相差25℃，IGBT5 P5仍然具有更低的飽和壓降，充分證明了特性的改善。飽和壓降的降低，使芯片在輸出電流時承受的電壓越小，產生導通損耗減少。

圖2 1700V IGBT5-P5和 IGBT4-P4輸出特性曲線在25度以及最大允許工作結溫下比較

IGBT5要保證重復開關更高電流1800A，甚至RBSOA條件下需要安全關斷2倍電流，這對IGBT的關斷軟度提出了更高要求。IGBT5芯片關斷特性在IGBT4基礎上進行設計，關斷損耗進一步優化，同時關斷軟度特性高，擁有更長的關斷時間和較低的電壓尖峰。圖3為FF1800R17IP5在2倍額定電流，即Ic,nom=3600A情況下的關斷波形。

圖32倍額定電流Ic,nom=3600A關斷波形

圖4是在Ic,nom=1800A條件下的關斷電壓尖峰隨門極電阻的變化情況。隨著關斷電阻增加，關斷損耗升高；在相同關斷電阻的條件下，升高結溫則會使關斷特性會變軟，電壓尖峰明顯降低。此外，值得一提的是電壓尖峰值在較小或較大關斷門極電阻情況下均較低。

圖4 Vcep與關斷電阻Rgoff關系

模塊應用和方案

系統測試

為了分析和驗證新一代PrimePACK?功率模塊總體性能，實驗室采用ModSTACKTM HD演示平臺分別搭載測試對象FF1400R17IP4以及FF1800R17IP5（圖5）。該平臺是基于PrimePACK?模塊封裝進行布局設計，主要應用于逆變器驅動及風電電機側設計中。

圖5 兩款模塊的測試平臺

相關測試條件為Rgon=0.1?，Rgoff=0.68?，開關頻率f=2kHz。圖6所示同一平臺下交流電流輸出結果，可以看出，1800A模塊FF1800R17IP5對比1400A模塊FF1400R17IP4在結溫增加的同時，電流密度增長了30%。在結溫發揮到極致的情況下，搭載IGBT5的功率模塊，電流密度甚至能增長43.6%，RMS有效值達到1200A。

圖6 IGBT4與IGBT5在同一平臺下的測試結果

應用方案

1.光伏電池板

PrimePACK?模塊在光伏應用中模塊可支持對最新的1500V 太陽能電池板進行設計（如圖7），使之具有良好的FIT率。采用帶3個PrimePACK? 2模塊的三電平NPC1逆變器結構，功率密度進一步增加30%。在無模塊并聯的情況下，單個逆變器輸出功率也能達到625kW，如此高的功率密度用在三電平的方案中充分體現了該模塊的性能優勢。

圖7 PrimePACK? 模塊在PV板設計中的應用

2. 風力發電

在海上風電項目上，風力發電機組向大型化發展并結合電網輸送電力給用戶。風電變流器可以改善風電系統的工作狀況，減少發電機損耗，提升風能利用率。因此，用于變流器的設計的半導體模塊至關重要。應用IGBT5和.XT技術的新PrimePACK?模塊對比前一代產品已拓展應用至3.5MW風力發電機組中及相關直驅產品中，如圖8，風柜數量由6個減少至4個，變流器尺寸縮小，有利于減少風電系統的損耗。新模塊另整個系統更加簡潔，高效地將發電機的變頻輸出轉換為適合相應地區電網的固定頻率。

圖8 風電變流器比較

結 語

為了適應更大電流，更高規模的實際應用系統，本文主要介紹了IGBT5和創新.XT技術的特點和優勢。IGBT5在導通損耗以及電氣特性方面的性能提升, 不僅降低了靜態和動態損耗，在工作結溫升高的同時使芯片功率密度和效率得以改善。而.XT模塊工藝技術實現了耐高溫和大電流的封裝，并通過增強散熱設計提高了功率循環周次，能延長系統的壽命，同時降低了電磁干擾的影響。將搭載IGBT5和.XT技術的全新PrimePACK? 模塊應用在1500V光伏系統中，單個逆變器輸出功率可達625kW；應用在風力發電中，可以將3MW風力發電機組擴展至3.5MW。