隨著變流器廣泛應用于風力發電、太陽能、電動汽車和軌道牽引等領域中，目前越來越多的變流器研究著眼于高功率密度、高可靠性設計。IGBT結合了單極性晶體管和功率MOSFET的優點，具有高輸入阻抗、低損耗等特點，它作為電力變換的重要元件，其功率密度直接決定變流器的功率密度以及體積密度，因此其發展方向會直接影響變流器的設計。
自IGBT被廣泛應用到電力電子變換裝置以來，IGBT芯片的發展先后經歷了穿通（PT）、非穿通（NPT）、場終止（FS）和溝槽柵（Trench）等幾次技術革新，目前已經發展到了溝槽柵的第五代；其芯片最高工作溫度也從125℃增加到現在的175℃，芯片厚度從原來的220μm減小到現在的小于100μm，功率密度從0.46kW/cm2增加到1.31 kW/cm2，增加了近3倍。飽和壓降、關斷損耗以及安全工作區三者的折衷關系的改進是功率半導體發展的目標，在此基礎上追求更高的允許運行結溫、更高的功率密度、更高的可靠性是功率半導體發展的趨勢。
本文在介紹英飛凌公司最新第五代IGBT芯片（以下簡稱IGBT5）的基礎上，重點描述了高功率變流器設計中遇到的損耗計算、熱設計，以及負載測試等問題。
基于.XT技術的第五代芯片IGBT5是在原有溝槽柵技術基礎上開發的新一代IGBT，為減小動靜態損耗，新一代IGBT芯片進一步減小了厚度；為降低芯片表面溫度并確保可以通過10μs的短路測試，芯片發射極表面覆銅（圖1）；通過采用銅綁定線以及先進的焊接手段，帶有IGBT5 芯片的模塊可以在175℃下運行。
圖1：英飛凌第五代IGBT芯片剖視圖
由于IGBT5較第四代IGBT而言（以下簡稱IGBT4）芯片更薄，因此在相同的電流條件下，其飽和壓降更低，這意味著其通態損耗也更小；雙脈沖實驗表明，在相同條件下IGBT5的脈沖損耗也較小。
圖2是在雙脈沖試驗臺上測試得到IGBT4/1400A和IGBT5/1800A的開通電阻與開通損耗的關系曲線，從圖中可以看出在相同溫度以及門極電阻條件下，IGBT5 單位電流的損耗比IGBT4要小。
圖2：不同開通電阻下IGBT開通脈沖損耗
帶有 .XT技術的IGBT5比較適合大功率應用場合，且通常采用并聯方式。 表2 為使用IPOSIM仿真軟件在開關頻率為2.5 kHz，輸出頻率為50 Hz，風冷散熱，直流電壓1 050 V，環境溫度30 ℃條件下（因為本文的測試散熱器進口溫度為30℃，客戶實際應用的需求一般為45℃），計算2只IGBT并聯后輸出電流的能力。從仿真結果（圖3）可以看出，在輸入參數相同的條件下，相同封裝的IGBT5 1800A模塊的輸出電流能力比IGBT4 1400A模塊高30%左右，從而提高了變頻器的功率密度。
圖3（a）：采用FF1400R17IP4 IGBT
圖3（b）：采用FF1800R17IP5 IGBT
變流器的熱設計涉及到如何通過散熱器以及冷卻系統的設計把IGBT功率損耗通過導熱硅脂、散熱器導出，以確保功率半導體處于安全的工作范圍內。散熱器穩態熱阻測試是重要的一個環節，比較專業的動態熱阻測試需要用到熱結構函數，在工程中也可以采用JESD51-14介紹的方法測試其穩態熱阻，以便于穩態熱仿真。散熱器的穩態熱阻一般可以表達為
——散熱器溫度； 
——散熱器入口溫度； 
——IGBT的功率損耗。
測試中，用直流電源給IGBT芯片加熱，通過測量IGBT的壓降以及電流計算出其損耗，通過J型熱電偶以及數據采集系統得到溫度測試值。測試條件為: 散熱器風速10m/s；導熱硅脂采用PTM7000，其厚度為60μm；在不同功率條件下僅僅加熱IGBT芯片,分別測試散熱器輸入輸出溫度、IGBT芯片正下方散熱器溫度，同時用紅外相機測試表面涂黑的IGBT芯片溫度。根據式（1）得到不同功率條件下的熱阻值，考慮到測試誤差，取為0.071 K/W。
負載測試平臺為三相結構，其中，每2支IGBT5模塊FF1800R17IP5并聯作為一相放在一個尺寸為360 x 300 mm 的風冷散熱器上，模塊以及散熱器風道均沿散熱器長度方向布置（圖4（a））。每個散熱器采用一個單獨的離心風機；直流回路采用18支膜直流電容與IGBT的直流端子相聯；采用三相對稱電感負載，電感值450 μH。驅動采用2ED300C17芯片，一個驅動核驅動2支IGBT，IGBT適配板上有推挽三極管，以放大驅動能力并確保驅動信號的一致性。散熱器平均風速為10 m/s，直流電壓1 000 V，測試開關頻率選擇為2.5 kHz，輸出頻率50 Hz。三相測試組件如圖4所示。
圖4（a）：組件結構布局
圖4（b）：測試平臺
在負載測試過程中，為監控散熱器溫度，在每個散熱器出風口附近IGBT芯片正下方的位置開了直徑2 mm的小孔用于安裝J型測溫熱電偶，如圖5中1-6所示，其左側為散熱器布局圖，右側為IGBT/二極管芯片布局圖，藍色箭頭為冷卻空氣流向。圖6為采用IGBT5 時不同位置的散熱器溫度與輸出電流的關系曲線。試驗結果表明，位置3和位置6的溫度比另外4個位置要高，可能的原因是位置3和位置6處于散熱器的中央，散熱條件相對比較差，這也意味著散熱器設計邊緣留有余量會有助于降低IGBT芯片溫度。進口溫度一定時，在測試范圍內，散熱器的溫度幾乎隨電流呈線性變化（但圖6中以850 A為界前后斜率稍有不同，可能的原因是測量帶來的誤差）。
圖5：散熱器開孔（左）以及對應IGBT芯片布局圖（右）
圖6：散熱器溫度與電流的關系曲線（入口空氣溫度29℃）
觀測IGBT結溫最直接的方法是在IGBT芯片上貼一個熱點偶，但是考慮到絕緣等問題，在實際測試中較少使用。本文中取3個位置的平均值作為表征散熱器溫度的特征變量，對兩種不同IGBT的測試結果如圖6所示。從圖6中可以看出，在本文的測試條件下，IGBT4電流為800 A時，散熱器特征溫度為118℃，而在該電流下IGBT5的對應溫度約為84℃；在電流為1 050 A時，IGBT5 對應的散熱器溫度為120℃。根據以上仿真結果可以計算IGBT損耗，進而通過公式（2）計算得到該測試條件下的平均結溫。
——結殼熱阻； 
——殼到散熱器熱阻。
在變頻器熱設計中，模塊自帶的NTC（熱敏電阻）可以作為溫度輸入，但是在設計中需要建立相應的熱模型，其中一種方法是通過測試得到不同輸出電流時NTC與仿真結溫的關系。圖7為模塊芯片平均溫度與其NTC所示溫度之間的關系曲線，從圖中可以看出，本文中兩種模塊的芯片結溫與NTC溫度顯示出高度的線性關系，由此可以通過數據擬合的方式得到兩者之間的方程。這一試驗結果為變頻器的熱設計和熱保護提供了一種適合于工程應用的經驗。
圖7：IGBT芯片平均結溫計算值與模塊NTC溫度顯示值的關系曲線
本文描述了基于.XT 的第五代IGBT特點，通過仿真計算比較了IGBT4 和IGBT5 的損耗和結溫，通過負載試驗測試了組件的主要電氣參數以及溫度。仿真及試驗結果都表明IGBT5 FF1800R17IP5 模塊的輸出電流能力比IGB4 FF1400R17IP4高30%左右； 另外IGBT芯片結溫與模塊NTC顯示溫度存在高度的線性關系。本文的試驗結果為客戶設計高功率變頻器提供了新的模塊解決方案，為變頻器熱設計以及熱保護提供了新的工程解決方法。
為進一步提高IGBT5的輸出電流能力，下一步考慮用毛細熱管散熱器進一步減小散熱器熱阻同時考慮在IGBT芯片上貼熱電偶以便更準確地測到IGBT芯片溫度結溫。（英飛凌igbt廠家）
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