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前面我們分享了匯川技術功率器件首席專家吳楨生先生的《IGBT在工業(yè)驅動器的應用技術展望與探討》主題報告，前一篇文章已經(jīng)為大家介紹了IGBT技術發(fā)展趨勢：高功率密度、高可靠性、更加易用。

IGBT在工業(yè)驅動器的應用技術與展望

接下來本篇文章將繼續(xù)對高功率密度、MPT技術發(fā)展下的SOA、高防護、dv/dt 的影響、TSC封裝等做出詳細介紹。

1、高功率密度

以英飛凌的技術來舉例，從T4到T7，導通損耗降低了20%。IGBT 最理想就是不斷往原點去靠近，損耗便會越來越小。由于它導通損耗減小了20%，封裝的電流等級都往上提一個甚至是兩個等級，從而帶來功率密度的提升。得益于近些年工藝水平的不斷提升，損耗也隨之減小，功率密度提升。與此同時，要注意芯片技術的提升要配合好封裝及散熱技術，若沒有及時配合，模塊僅是提升了標稱電流，在實際應用中卻無法達到如此的一個電流等級。吳專家認為，為追求低損耗，短路耐量將越來越小，例如第四代在10μs以上，第七代8μs，可能之后會更少。在這種情況下便需要快速短路保護技術配合。
英飛凌的 T7 全部選擇往低導壓降（Vcesat）的方向發(fā)展，而沒有往減小開關損耗的方向優(yōu)化，這就是對應用的理解，這方面對于IGBT設計來說值得深思。因為在工業(yè)驅動領域，對于dv/dt有一定要求。如果把管子開得太快，會對外產(chǎn)生比較大的干擾，這種情況是不利的，在整機上會造成很多問題。因此，在很多工業(yè)電機驅動領域，會特意把開關速度往下壓，這樣一來，優(yōu)化開關損耗是無效的，因此，英飛凌全部往低導通壓降的方向進行優(yōu)化。
IGBT在工業(yè)驅動器的應用技術與展望

圖1??高功率密度

2、MPT技術發(fā)展下的SOA

在IGBT使用過程中，受到兩個因素的制約，一個是溫升，另一個是安全工作區(qū)?(SOA)，功率器件的溫升和SOA是一對平衡因素。在不同的應用場合下關注點不同，現(xiàn)在很多都往低溫升方向優(yōu)化，然而在一些小功率的應用中，溫升往往不是瓶頸，而短時電流應力是瓶頸。這種情況下，應該去選擇擴大SOA的范圍。當然，能夠同時滿足要求更好，比如在滿足溫升需求的情況下，重復峰值電流（Icrm）做到3倍甚至4倍，可以拓展其應用范圍。
IGBT在工業(yè)驅動器的應用技術與展望

圖2??MPT技術發(fā)展下的SOA?

隨著近些年來微溝槽技術的發(fā)展，芯片越做越小，從而影響短路的安全工作區(qū)。在實際短路過程中， Vge會有所上升。而在有一些廠家的設計時，可能不太注意 Vge上升，短路耐量消失。而從應用端需求來說， Vge上升的時候，短路耐量不要縮水太多，此外，米勒電容盡可能小，從而減小對Vge的影響。
總而言之，隨著微溝槽技術的發(fā)展，芯片確實做的越來越小，損耗越低，但是同時還是要注意保證SOA。

3、高防護

IGBT在使用的過程中存在一些問題，例如在寒冷的環(huán)境中，如采礦、橡膠硫化等，空氣中含有的硫化氫，在DBC襯板上，兩個相鄰的銅箔之間生成枝晶，時間一長就會造成短路，最終會造成IGBT 的損壞。在這種環(huán)境下，一方面是整機防護，另一方面是 IGBT能夠從封裝級別提出防護措施，如防硫封裝，以應對應用場合需求。

在如海上、碼頭等潮濕的環(huán)境中，IGBT會比較容易出現(xiàn)擊穿。但是在以往的IEC標準在這方面并沒有做要求。然而要滿足這樣的使用環(huán)境，芯片需要通過HV-H3TRB 的測試，需要注意芯片終端及鈍化層的設計。

IGBT在工業(yè)驅動器的應用技術與展望
圖3??高防護

4、dv/dt?的影響

?4.1??dv/dt在工業(yè)驅動器中的影響

工業(yè)驅動領域對dv/dt的關注度比較高，如下圖4展示的拓撲圖是從電網(wǎng)側到驅動器到電機，從圖上看，若IGBT 輸出端產(chǎn)生的dv/dt比較高將會帶來以下問題：

第一，由于線纜的反射，會在電機端產(chǎn)生反射電壓。

在dv/dt 比較小的情況下，電機端產(chǎn)生的反射電壓較低；但若開關太快，在電機端會產(chǎn)生較高的反射電壓，從而導致電機絕緣會老化，最終導致電機損壞。

為了避免上述情況，可能需要在逆變器的輸出加上濾波器，或是被動地提升電機的絕緣，這兩種解決方案都會導致系統(tǒng)成本上升，所以太高的dv/dt是不好的。

第二，dv/dt太高，漏電流增大，導致輸出電流增大，驅動器的輸出電流增大最終就會導致過流故障。為了避免過流故障，則需要增加驅動器選型，最終帶來的也是成本上升。

此外，這塊的漏電流最終回流到網(wǎng)側，對電網(wǎng)造成污染。為了抑制漏電流對電網(wǎng)造成上升的電磁干擾?（EMI），需要加上 EMI 濾波器，從而導致驅動器的成本上升，體積增大。

最終還有一個問題就是，電機的軸電流的會增大，最終導致電機軸承被電蝕，最終導致電機損壞，這類問題不像前幾種還有防護的手段，解決手段基本要從源頭去解決，即降低dv/dt，或者需要使用多電平拓撲。

綜上，dv/dt在工業(yè)驅動器領域是非常重要的。

IGBT在工業(yè)驅動器的應用技術與展望
圖4??dv/dt的影響
4.2??dv/dt在實際使用器件中的影響

匯川技術對A、B公司的IGBT做了關于dv/dt 的測試。

如圖5所示，左圖為開通 dv/dt 和電流(Ic)之間的關系。由圖可知，隨著電流的不斷上升，開通 dv/dt不斷下降。從應用角度來看，會更傾向于A，因為整機對外的電磁干擾（EMI）是由最大的 dv/dt水平?jīng)Q定。而我們知道，小電流時，就是最大的dv/dt的點。

這個測試方法是在小電流下，把dv/dt水平都調(diào)到一樣的情況，即保證對外的干擾一樣。到了大電流的時，則更關注損耗，若此時的dv/dt越大，開關快一點，開關損耗會變小，便可以在相同對外干擾的情況下獲得更低的損耗。這一點是要去特別去注意的，但有些廠家并不太注意，而應用端則期望在相同的對外輻射情況下去獲得的更低損耗。

右圖為不同廠家開通dv/dt的瞬態(tài)表現(xiàn)。dv/dt有不同的測量方法，通常采用的是 90%?到 10%?是過程的測量方法，即取電壓 90%?到 10%?之間的差值，除以它們經(jīng)過的時間，即為 dv/dt 的平均值。

這張圖中所測得兩家公司的dv/dt值可能是一樣的，但實際上它們的瞬態(tài)表現(xiàn)是完全不同的。A公司的話是比較線性，比較平均，而B公司則是一開始快速下降，之后再有一個相對較長的拖尾。在這兩種情況下，芯片設計工程師可能比較傾向B公司，快速地下降意味著更低的開關損耗。

但實際上從應用的角度來講，這兩家公司的產(chǎn)品在整機上的EMI 表現(xiàn)是不一樣的，根據(jù)匯川技術的測試結果，B公司的產(chǎn)品 EMI會比 A公司可能高 10?個 dB甚至以上。為解決高出的10個dB，不得不增加 EMI濾波器，增加成本去解決這個問題。如果不想增加成本，可能需要人為地去調(diào)整 IGBT 的驅動參數(shù)，特意調(diào)慢它，使得它對外的 EMI 沒有那么大。但是如果這么去做，B公司的 IGBT基本上不能用了，因為把它的 dv/dt調(diào)到和 A公司一樣，損耗會非常大。實際上，從應用端來說，希望開通 dv/dt盡可能線性，同時可控性是比較好的。

IGBT在工業(yè)驅動器的應用技術與展望

圖5??兼顧 EMI和 Eon

5、?Top?side?cooling(TSC)封裝

在中小功率段，TSC封裝是比較不錯的選擇。相比傳統(tǒng)的插件式封裝，可簡化生產(chǎn)，相比傳統(tǒng)貼片式封裝，有更好的散熱路徑。所以 TSC封裝是綜合了簡化制造和良好散熱等特點。在 20?千瓦以下的功率段來看，TSC封裝是一個不錯的選擇。

TSC封裝的瓶頸主要在往更大功率去拓展時，會碰到更高導熱要求與工藝平整度的矛盾。

IGBT在工業(yè)驅動器的應用技術與展望

圖6?TSC封裝

本文由匯川技術功率器件首席專家吳楨生《IGBT在工業(yè)驅動器的應用技術展望與探討》報告整理。

原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導體網(wǎng)）：IGBT在工業(yè)驅動器的應用技術與展望

作者 li, meiyong

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