英飞凌1200V IGBT4—性能优化的新一代功率半导体器件
随着新型高效逆变器应用的市场日益增长，需要有一些专门优化的功率半导体出现。为此，英飞凌公司推出了新一代结合改进型射极控制二极管的1200V IGBT4系列产品，分别为针对低功率、中等功率和高功率IGBT模块提供了三款优化的芯片。这些IGBT模块是为满足各种不同应用所需的现代逆变器概念设计的。
这三款优化的芯片是：Inom=10-300A，具备快速开关性能，可用于低功率模块的IGBT4-T4；Inom=150-1000A具备较好的开关性能和导通特性，可用于中等功率模块的IGBT4-E4； Inom>900A，具备软化开关性能，可用于高功率模块的IGBT4-P4。本文主要介绍低功率和中功率版本的芯片。
衡量新一代芯片开发是否成功的两个标准当然是看其能否达到较低的静态和动态损耗。但IGBT4技术还有另一个优点，它将芯片的最高允许工作温度提高了25℃，达到Tvjop=150℃。表1对比了新型IGBT4和其上一代IGBT3的电性能。
表1：英飞凌IGBT3和 IGBT4的比较。
新一代1200V IGBT4功率半导体的最高工作温度可达Tvjop=150℃，而上一代IGBT3的工作温度最高只能到125℃。150℃的最高工作温度是由英飞凌在其第三代600V功率半导体中首次实现的。允许器件达到这一更高的工作温度，就有可能允许器件在同样的散热条件下通过全温操作达到更高的输出功率。
此外，从图1也可以看出，组装技术的优化也对功率循环(powercycling)有显著改善。这就确保产品至少能达到同样的功率循环预期寿命，同时由于提高工作温度而达到更高的输出电流，或者用户可以选择保持输出功率，但延长产品的使用寿命。
图1： 1200V标准模块的功率循环可靠度与ton≈ 1s、I≈Inom下采用IGBT4技术的EconoPACK模块的典型使用寿命图。
IGBT的性能
然而，仅仅降低损耗还不够，器件本身的开关特性也是一个很重要的因素。
由于IGBT3系列的软化度(softness)已经足以满足几乎所有低功率和中等功率应用，所以IGBT4开发的另一个目标就是使其软化度可以与相应的IGBT3系列产品相媲美。
图2给出了开关损耗与外部闸电阻的函数关系。其中，关断损耗在很宽的闸电阻范围内都与Rg无关，这是由IGBT的固有开关造成的。
图2：关断损耗与闸电阻的关系(Tvj=125℃, Vce=600V, Ic=300A, L=30nH)。
杂散电感与电流梯度一起影响导通和关断时的电压特性：dv=L*di/dt，因此如果L更大，关断时的过压就会更大，从而导致如表2所示的更大损耗。
表2：Tj=125℃下 300A/600V中等功率IGBT4-E4 的损耗与杂散电感的关系。
不仅关断损耗，IGBT的软化度也对闸电阻相当敏感。在标称电流条件下对开关性能进行比较，它是DC母线电压(link voltage)的函数，如图3和图4所示。
