采用逆导型IGBT的新型3A/600V DIP-IPM

三菱电机日前已开发出一种采用新型功率硅片技术的3A/600V超小型双列直插式智能功率模块(IPM),即第4代DIP-IPM.该技术将续流二极管的硅片集成到IGBT硅片上,从而将模块内部的硅片数量减少了一半,使得IPM的可靠性更高,功率密度更大.在此,介绍了这种新技术以及3A/600V第4代DIP-IPM的设计和特性.     

基于电-热耦合模型的IGBT模块结温计算方法

温度循环下的疲劳累计损伤是IGBT模块失效的主要原因,计算IGBT模块的结温对预测其寿命具有重要意义。为了研究IGBT模块工作过程中结温变化情况,首先通过计算IGBT和FWD的功率损耗建立了IGBT模块电模型,然后在分析IGBT模块热传导方式的基础上建立了IGBT模块热模型,进而基于电模型和热模型建立了IGBT模块的电-热耦合模型,最后以三相桥式逆变器为例对IGBT和FWD的结温进行了仿真分析。结果表明,由于IGBT和FWD处于开关状态,两者的结温波形均呈波动形状,且波动均值经过短时间上升后稳定于一恒定值,所以逆变器用IGBT模块开始工作后经短时间的热量积累最终达到热稳定状态;由于IGBT的开关损耗比FWD大,使得IGBT结温受开关频率的影响较大。     

大功率超高速半导体开关的换流特性研究

研究了一种应用于激光驱动源的大功率超高速半导体开关反向开关晶体管(RSD)的新结构，以实现ms、ns脉宽、MW以上的高重复率脉冲的产生和控制。RSD具有大面积快速均匀开通、可无限串联、功率大、换流效率高、寿命长的特点。利用单次脉冲试验平台研究了RSD的开通机理及高密度能量转换、允许通过的峰值电流、开通条件与预充、准静态损耗及其di/dt等多项特性。根据经验公式，对小直径RSD做极限电流试验，f 20mm的RSD堆体通过了19.9kA脉冲电流(脉宽30ms)。通过减小主回路电感考核了RSD的高di/dt 耐量特性，放电电压3kV时得到di/dt接近8kA/ms。     

适合中高频应用的NFM系列IGBT模块

针对医疗仪器和电焊机等市场领域对中高频开关应用的需求,三菱电机开发了NFM系列中高频IGBT模块。本文分析了电流谐振逆变器在两种不同工作模式下的波形和特征,然后详细介绍了NFM系列模块设计中采用的关键技术,包括IGBT硅片、超高速续流二极管(Free Wheeling Diode,简称FWD)、低电感封装技术等,并指出这种模块在中高频开关应用时在低损耗方面的优越性。     

基于等效电导率的压接型IGBT器件温度场仿真

压接型封装全控器件由于其具有无焊点、无引线、双面散热的特点,逐渐在大容量换流器中得到了广泛的应用,其可靠性以及寿命预测也引起了学术界和工业界的关注。本文提出了一种基于等效电导率的压接型绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件温度场有限元仿真方法,直接反映了压接型IGBT器件内部芯片发热功率随温度变化的特性,进一步提高了温度场仿真的准确性,为模块可靠性分析和寿命预测建立了仿真计算基础。此外,对某型号压接型IGBT器件进行MMC工况下的温度场仿真,得到了该工况下模块内部温度分布情况。     

高压多芯片并联 IGBT 模块故障监测方法

绝缘栅双极型晶体管( IGBT) 作为电力电子装置的关键核心器件,其高可靠性是系统长久稳定运行的重要保障,对 IGBT 模块进行故障监测是提高系统可靠性的有效方式之一。 提出一种新的健康敏感参数-栅极-发射极导通前电压 VGE(pre-on) , 用于监测高压多芯片并联 IGBT 模块中的 IGBT 芯片故障。 首先,对现有故障监测方法进行比较,然后建立导通前电压可靠性 模型,再通过监测导通瞬态期间的 VGE(pre-on)来检测高压多芯片并联 IGBT 模块中的 IGBT 芯片故障。 为验证该方法的可行性,对 16 芯片 DIM800NSM33-F IGBT 模块进行了仿真,结果显示,在不同外部条件下,每个并联 IGBT 芯片故障所产生的导通前电压 VGE(pre-on)的平均偏移约为 900 mV,且具有较高的灵敏度和抗干扰能力,可有效监测 IGBT 模块芯片故障。     

EMTP modeling of IGBT dynamic performance for power dissipationestimation

A new approach to the modeling of insulated gate bipolar transistors (IGBTs) for electromagnetic transients program (EMTP) simulation is developed. Other commercially available simulators, such as PSPICE, model the devices on an exact semiconductor physics basis. They suffer from large amounts of CPU time for sinewave pulsewidth modulation (PWM) inverter applications which require a complete cycle simulation at fundamental frequency with a small time step to cover the details of IGBT switching transients. This approach uses a curve-fitting method, combined with the point-by-point user-defined function available in EMTP, to model the dynamic characteristics of IGBTs. Since there is no device physics modeling required, this simulation is much faster than the conventional approach. The proposed method is applicable to both static and dynamic modeling, on a cycle-by-cycle basis, which is important for dynamic power dissipation and thermal analysis. The simulation includes IGBT turn-on and turn-off transients, IGBT saturation, free-wheeling diode forward voltage and reverse recovery characteristics. The simulation results are verified by comparison with experimental measured data. Measurements show a close agreement with simulations     

A new punch-through IGBT having a new n-buffer layer

Insulated gate bipolar transistors (IGBTs) based on the non-punch-through (NPT) design approach exhibit excellent safe operating area (SOA) and short-circuit endurance, a positive temperature coefficient of on-state voltage over the operating current range, and low silicon cost. These merits have supported the development and commercialization of NPT IGBTs above the 1200-V class. However, the need for quite thin silicon to obtain competitive on-state losses at 1200-V and below classes has hindered the use of the NPT approach in this area. A new punch-through (PT) IGBT has been developed which exhibits the merits of the NPT approach, rugged SOA and short-circuit endurance, while also having a better tradeoff relation between on-state voltage and turn-off loss than either existing NPT or third-generation PT IGBTs     

大功率两单元MPD系列IGBT模块

作为高密度功率半导体器件的领航者,三菱电机采用最新的CSTBTM硅片技术开发出了大功率两单元功率模块,额定值达到900A/1200V、1400A/1200V和1000A/1700V.这种具有独特设计优势的大功率两单元(Mega Power Dual)IGBT模块适用于大功率UPS、风能发电和大功率电动机驱动.介绍了MPD模块的结构特点和电气特性.     

基于关断电流最大变化率的压接式IGBT模块结温提取方法

压接式绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)模块因优越的电气性能和封装设计,受到柔性直流输电等大功率应用场合的青睐,其模块可靠性也成为大功率应用场合研究的重点,而IGBT模块结温是影响器件可靠性的重要因素。基于压接式IGBT模块双脉冲测试平台,介绍一种基于关断电流最大变化率的压接式IGBT模块结温提取方法,分析压接式IGBT芯片结温和模块关断电流最大变化率间单调变化关系,并利用压接式IGBT模块封装结构固有的寄生电感有效获取关断电流最大变化率的信息,以此来反推模块结温特性。最后通过压接式IGBT双脉冲测试平台验证了通过模块关断电流最大变化率进行压接式IGBT结温提取的可行性。     

基于IGBT开关暂态过程建模的功率变流器电磁干扰频谱估计

开关器件在开通和关断暂态过程产生的高电压和电流变化（dv/dt和di/dt）是高频电磁干扰的主要来源.提出一种基于IGBT开关暂态过程建模优化的电磁干扰频谱估计方法,建立了IGBT行为特性模型,分阶段研究了IGBT开通和关断的动态过程,用分段线性化方法模拟电压和电流的暂态波形,将非线性的开通和关断特征用多段dv/dt和di/dt组合描述.文中提出的方法提高了电磁干扰预测频谱在高频段的准确度,实验结果验证了方法的正确性.     

一种有限差分IGBT/FWD模型研究

提出了一种适用于多种IGBT/FWD芯片结构的有限差分仿真模型。该模型具有较高的精度,良好的计算速度和收敛性,并能反映温度变化对IGBT/FWD特性的影响。首先深入分析了IGBT/FWD芯片的物理建模过程,然后通过双脉冲实验验证了模型准确性和温度影响特性,为解决精确测量电流的问题,提出了一种使用刺刀螺母连接器和采样电阻测量电流的方法。     

Characteristics and utilization of a new class of low on-resistanceMOS-gated power device

A new class of MOS-gated power semiconductor devices Cool MOS (Cool MOS is a trademark of Infineon Technologies, Germany) has been introduced with a supreme conducting characteristic that overcomes the high on-state resistance limitations of high-voltage power MOSFETs. From the application point of view, a very frequently asked question immediately arises: does this device behave like a MOSFET or an insulated gate bipolar transistor (IGBT)? The goal of this paper is to compare and contrast the major similarities and differences between this device and the traditional MOSFET and IGBT. In this paper, the new device is fully characterized for its: (1) conduction characteristics; (2) switching voltage, current, and energy characteristics; (3) gate drive resistance effects; (4) output capacitance; and (5) reverse-bias safe operating areas. Experimental results indicate that the conduction characteristics of the new device are similar to the MOSFET but with much smaller on-resistance for the same chip and package size. The switching characteristics of the Cool MOS are also similar to the MOSFET in that they have fast switching speeds and do not have a current tail at turn-off. However, the effect of the gate drive resistance on the turn-off voltage rate of rise (dv/dt) is more like an IGBT. In other words, a very large gate drive resistance is required to have a significant change on dv/dt, resulting in a large turn-off delay. Overall, the device was found to behave more like a power MOSFET than like an IGBT     

逆阻式IGBT的驱动保护电路及换流策略的研究)

针对逆阻式IGBT的开关特性，提出了数模混合式三段驱动电路。该驱动电路引入了可控的充、放电电流源，加快器件的开、关速度，而不增加开关过程产生的 与 。基于新颖的Vce电压检测方法，设计了过流保护电路，解决传统Vce检测方法不适应于逆阻式IGBT的问题。为了验证驱动保护电路的有效性以及逆阻式IGBT在矩阵变换器中应用的可行性，本文构建了一套AC-AC Buck斩波器，对双向开关的换流策略进行了研究与实验比较。     

基于实时结温观测的电动汽车逆变器动态限流策略

针对电动汽车逆变器中功率模块因实时结温过高而造成器件乃至系统失效的问题,提出了基于实时结温观测反馈的逆变器动态电流限幅控制策略。建立绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的电热模型,在线观测功率模块中所有IGBT芯片和续流二极管(FWD)芯片的瞬时最大结温;将该热状态以及器件的最大可用热容量输入电流限幅控制器得到逆变器的最大运行电流值,实现逆变器的电流动态限幅控制。测试结果表明,所提控制策略使逆变器安全地工作在最大可用结温范围内,可使逆变器的运行性能极限最大化,提高系统的功率密度和可靠性。     

PWM逆变器-感应电机驱动系统中接地电流EMI问题的分析

在IGBTPWM逆变器－感应电机驱动系统中，IGBT的高速开关动作产生很高的dv/dt|和|dt/dt|能够导致严重的电磁干扰（EMI）问题。研究表明不仅需要了解干扰的频谱。而且也必须知道它们的时域波形才能全面刻画干扰的本质。如何准确描述并分析这种问题是复杂而困难的，该文应用系统函数的方法来描述这种EI耦合通道的特征，并不需要对寄生电路进行复杂的参数提取，而且能准确预测了EMI的时域波形和频谱特性，接地电流脉冲峰值对应|dv/dt|的 峰值，导通时，|dv/dt|基本不随着负载电流的变化而变化，而关断时，负载电流越小，|dv/dt|越小，由于|dv/dt|在开通时的值要比关断时大得多，因此接地电流EMI问题主要由IGBT的开通决定。系统函数的幅度频谱呈现带通特性，尽管逆变器工作时其拓扑结构发生变化，但是对描述耦合通道的系统函数的影响很小，当三相桥臂的两个IGBT同时开通或同时关断时，接地电流加倍。     

电压源换流器型直流输电换流器损耗分析

电压源换流器型直流输电(voltage source converter based HVDC,VSC-HVDC)应用于大容量功率传输的主要障碍之一是其相对较高的换流器损耗。因而,换流器损耗的准确计算对系统设计、器件参数及冷却装置的选择非常重要。通过分析换流器IGBT器件的开关特性,同时考虑结温、死区效应的影响,提出一种基于曲线拟合理论的通用换流器损耗计算方法。该方法能够有效利用厂家提供的器件特性参数,适合于实际工程应用。在此基础上,分析了正弦脉宽和最小开关PWM两种调制方式下的换流器损耗特性,建立了基于PSCAD/EMTDC的通用的损耗计算模块。     

Gate drive considerations for IGBT modules

The switching performance of an IGBT module depends upon the drive circuit characteristics and external DC loop inductance. This paper discusses the influence of these parameters on switching losses, diode recovery, switching voltage transients, short circuit operation, and dv/dt induced current. The paper is a tutorial and identifies trends. It is intended as an aid to the circuit designer, to help him apply the IGBT module to best advantage     

芯片并联的分析——从经典的最坏情况到统计方法

经过调查分析，介绍了芯片并联对IGBT模块性能参数的影响，重点介绍了续流二极管正向压降对并联模块电流分布的影响。通过应用统计方法，可以定义更切合实际的降额因子。