上一節《論文|1200V IGBT7和Emcon7可控性更佳，助力提升變頻器系統性能（上）》中，我們剖析了IGBT7以及Emcon7的芯片技術特點及設計思路，今天我們對比IGBT7與IGBT4功率模塊的性能，看一下在系統層面，IGBT7性能究竟有多高的提升？

IGBT4和IGBT7功率模塊的性能比較

本節中，我們將利用IGBT7和Emcon7研究功率模塊的性能。為此，我們將使用仿真工具（IPOSIM）從逆變器運行角度分析IGBT和二極管的性能。如無另外說明，本部分將重點分析無銅基板功率模塊，即Easy1B和Easy2B。仿真過程中，參考以下輸入參數：開關頻率fSW、輸出頻率fo、環境溫度TA、調制因子以及功率因素cos（φ）。除此之外，還利用諸如散熱器到環境之間的熱阻（RthHA）、IGBT熱阻（RthIGBT）和二極管（RthDiode）熱阻等系統特定參數來確定輸出電流IRMS。如無另外說明，則使用下列工作參數（可看作通用電機驅動應用的典型參數）：fSW = 2.7kHz, m = 1, fo = 50Hz, TA = 50°C, RthHA = 1.8K/W，IGBT和二極管分別使用cos（φ）= 0.85和-0.85。

圖9 相同芯片面積的第四代和第七代技術的IRMS與fSW的關系。為便于計算，TJ,max= 150 °C。大圖參考芯片面積為75-A IGBT4/EC4 ，插圖參考芯片面積為25-A IGBT4/EC4。

圖9比較了TJ,max = 150 °C時，芯片尺寸相同的IGBT7和IGBT4和二極管的對應不同fSW的有效值電流IRMS。為便于參考，使用IGBT4和EC4的芯片尺寸為基準。IRMS為TJ為150 °C下允許的最大電流。對于75A等效芯片面積，IGBT7在fSW= 0時輸出電流IRMS = 56A ，比IGBT4高20%。隨著fSW的增加，IGBT4和IGBT7的IRMS均下降，IGBT7相對于IGBT4的優勢也隨之減少。fSW ≈ 12kHz時，可觀察到交叉點。在給定工作條件下，只有在fSW高于12kHz時，IGBT4的IRMS高于IGBT7。在EC7方面，情況相當。fSW= 0時，EC7的IRMS = 46A，比EC4的最大IRMS要高15%。二極管的曲線交叉點在fSW ≈ 16kHz。圖9的插圖顯示了25A等效芯片面積下相同的計算方法。數值變化與預期相符，可得出相同的結論。

圖10 在上述條件下第四代和第七代技術的ΔTJ、TJ和IRMS 

圖10顯示75A等效芯片面積下的結溫波動VS fSW，其計算所得IRMS如圖9所示。可以看出，IGBT7的ΔTJ明顯小于IGBT4。EC7和EC4也是如此。盡管其差異看似很小，僅為幾開爾文，但從功率循環能力的角度來講，它可為器件壽命帶來非常顯著的提升。圖10的插圖顯示了IRMS = 30A時IGBT和二極管所允許的最大器件溫度。這里考慮了IGBT7較高的暫態允許最高結溫TJ,max。因此，在TJ,max=150°C的限制下，IGBT4和EC4只能在fSW=4kHz工作，而在175°C的最高工作溫度限制下，IGBT7和EC7則可分別在6和8kHz下輕松運行。綠、藍和黑線突出顯示了TJ,max 對可行的IRMS的影響。IGBT4和EC4受到TJ,max=150°C的限制，在fSW=0時，最大IRMS為40A，其中EC4是主要限制條件；在IGBT7的限制條件下，IGBT7和EC7的暫態工作溫度達175°C，fSW=0時，IRMS可超過55A。因此，使用相等的芯片尺寸和最大芯片溫度，在相同工作條件下，后者輸出電流可比前者高出37%以上。

考慮到 IGBT7和 EC7 的功率密度更高，圖11顯示了不同封裝中的功率集成模塊（PIM）拓撲的額定電流。對于IGBT7，Easy1B, Easy2B和Econo2封裝的最大額定電流分別為25A、50A和100A，與IGBT4的Inom相比，Econo2封裝的功率密度至少增加33%， Easy1B 封裝增加66%。圖中還特別繪制了PIM拓撲結構的典型IRMS與Inom，以便說明可能增加的功率密度。基于該曲線，可能的功率密度增加變得更加可視化。

圖11 PIM拓撲的額定模塊電流和最大逆變器輸出電流IRMS（典型Inom）

然而，模塊級別上增加的功率密度也許并不會直接給典型應用帶來額外優勢。可能性最高的方法是實現框架尺寸擴展，即在同一尺寸的逆變器外殼中，實現更高的逆變器額定電流。同時，必須結合考慮與參考模塊相比增加的RthHA等參數，來評估是否可以達到目標輸出功率。具體地講，就是在Easy1B 封裝中實現25A PIM ，這需要使用典型Easy1B（非Easy2B）的RthHA，達到與Easy2B 25-A PIM相同的輸出功率。受逆變器外殼尺寸限制，散熱器的最大尺寸也會受限。Easy1B封裝的RthHA比Easy2B大25%左右，這對保證目標功率提出更大的挑戰。

圖12 條形圖：IGBT4和IGBT7 IRMS,max與RthHA。線條圖：RthHA 已知條件下，IGBT4（綠色方塊）和IGBT7（黑色方塊）運行IRMS,max = 25 和 38 A （紅線和橙線）所需的Inom

圖12所示條形圖，展示了IGBT4和IGBT7最大可能的IRMS,max和RthHA的關系。條型圖顯示了Inom為10-75A（IGBT4和EC4）和10-100 A（IGBT7 和 EC7）時的PIM拓撲IRMS,max。IRMS,max明顯隨RthHA的降低而增加。此外，如果TJ,max= 150°C ，IGBT7和EC7可完全取代IGBT4和EC4。較高的最大額定電流可直接帶來更大的優勢，即上文所述的IGBT7的100A和IGBT4的75A。

若IGBT7在175°C下運行，則可實現額外優勢。如圖12右側所示。紅線和橙線分別表示25 A和38A IRMS分別所需的最小Inom。要實現 25A IRMS可利用IGBT7 10A PIM，它的RthHA為1.5K/W，第四代則須為35A PIM。IRMS= 38A時，IGBT7技術的優勢更為明顯。IGBT7 35A PIM 的RthHA為1K/W，允許在38A IRMS下工作，而第四代則須為75A PIM。

結語

本文對IGBT7和Emcon7與IGBT4及Emcon4進行了全面的比較。分析了IGBT和二極管的靜態和動態性能。結果表明，與IGBT4相比，IGBT7的靜態損耗顯著降低，并且動態損耗沒有顯著增加。總之，IGBT和二極管針對較慢開關的應用進行了優化，其dv/dt在2-10kV/μs之間。在動態和靜態損耗方面，IGBT7和Emcon7可完全替代IGBT4及Emcon4，并在應用過程中帶來額外的性能優勢。

在功率模塊方面，本文圍繞功率模塊性能和輸出功率對IGBT7展開了研究。IGBT7和EC7的分析結果顯示，在同樣的工作條件下，在最大器件溫度150°C時，IGBT7可多輸出20%的電流。由于IGBT7支持最高結溫在175°C時的暫態過載運行，因此輸出功率可增加66%。本文基于這些結果，提出兩個應用方向：第一，對于給定的電路拓撲結構，根據可行的最大額定電流進行配置，可實現在相同封裝尺寸下，模塊電流等級的提升。如有必要，可利用過載最高結溫TJ = 175°C的特性；第二，如使用相同芯片尺寸的IGBT7替代IGBT4，則應用壽命顯著增加。

原文發表于 PCIM Europe 2018

作者：Christian R. Müller，英飛凌科技股份公司

          A. Philippou, C. Jaeger， M. Seifert，英飛凌科技股份公司

          A. Vellei and M. Fugger，英飛凌科技（奧地利）公司