范迦羽， 鄭飛麟， 和 峰， 王耀華， 彭 程， 李學(xué)寶， 崔 翔

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))， 北京 102206；2.先進(jìn)輸電技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京智慧能源研究院)， 北京 102209)

0 引 言

絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)器件因其低損耗和全控特性，已經(jīng)在柔性電力電子裝備中得到了廣泛應(yīng)用[1，2]。幾十年來，IGBT已經(jīng)發(fā)展出了穿通型(Punch Through，PT)，非穿通型(Non-Punch Through，NPT)和場截止型(Field Stop，F(xiàn)S)三種不同結(jié)構(gòu)的芯片[3]。不同IGBT器件因其芯片結(jié)構(gòu)、參數(shù)和封裝設(shè)計(jì)的差異具有不同的損耗特性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，選擇滿足工程要求的IGBT器件是非常重要的。

在IGBT器件的換流運(yùn)行工況下，為了保證器件換流過程中的熱穩(wěn)定性，需要根據(jù)IGBT器件內(nèi)并聯(lián)芯片損耗的電熱特性和器件的散熱設(shè)計(jì)，確定芯片穩(wěn)定運(yùn)行的工作區(qū)域[4]。然而，芯片在實(shí)際工況中損耗的電熱特性與電力電子裝備的拓?fù)湓O(shè)計(jì)和組件結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，無法從數(shù)據(jù)手冊中獲得[5]。隨著柔性電力電子裝備功率等級的提升，裝備和器件的損耗不斷增加，器件及其內(nèi)部規(guī)?；⒙?lián)芯片的熱不穩(wěn)定性問題在高壓大功率應(yīng)用中的影響已經(jīng)不可忽視。但目前針對高壓芯片的相關(guān)研究還較少，為此，需要開展高壓芯片的熱穩(wěn)定性分析，以指導(dǎo)器件的研制、選型及運(yùn)行條件控制。

芯片的熱穩(wěn)定性分析是半導(dǎo)體器件領(lǐng)域基本但又重要的分析方法。1993年，法國的S. Lefebvre研究了零電流開關(guān)(Zero Current Switching, ZCS)換流條件下PT型IGBT芯片和NPT型IGBT芯片的動態(tài)損耗特性[6，7]。研究表明，NPT型芯片的關(guān)斷損耗雖比PT型芯片更高，但NPT型IGBT芯片在運(yùn)行中有更寬的穩(wěn)定工作區(qū)域。1994年，S. Rael和Ch. Schaeffer提出了一種解析的損耗公式，對比分析了不同型號IGBT芯片的熱穩(wěn)定性[8]。文獻(xiàn)[8]中所提的解析損耗公式雖然簡化了熱穩(wěn)定性的分析，但是公式主要針對于中低壓器件，且其計(jì)算的損耗結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相比有較大的誤差。之后，盛況等人在2000年研究了不同換流電路拓?fù)鋵π酒姛崽匦院蜔岱€(wěn)定性的影響[5]。隨著器件性能的不斷發(fā)展，ABB公司的R. Schnell和U. Schlapbach提出，阻斷狀態(tài)下芯片漏電流引起的熱不穩(wěn)定限制了功率芯片的最高工作溫度，這一現(xiàn)象也需關(guān)注[4，9]。2015年，不萊梅大學(xué)的C. B?deker等研究了1 700 V SiC二極管在高頻換流情況下的熱穩(wěn)定特性[10]。目前，熱穩(wěn)定性分析領(lǐng)域大多數(shù)工作關(guān)注中低壓芯片，但是芯片在高壓大功率應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性和安全穩(wěn)定工作卻面臨著更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

為了滿足高壓直流輸電(High-Voltage Direct Current, HVDC)的需要，IGBT芯片的最高電壓等級已經(jīng)達(dá)到了6.5 kV[11，12]。一方面，在柔性電力系統(tǒng)中，高壓IGBT器件的穩(wěn)定安全運(yùn)行至關(guān)重要。熱穩(wěn)定性分析不僅限制了單支IGBT芯片可工作的最高頻率和最大電流，也間接決定了裝備中器件的串并聯(lián)數(shù)量。另一方面，對于柔性電力電子裝備，因其處于長期運(yùn)行狀態(tài)，高壓芯片的損耗也會大幅增加。因此對于裝備設(shè)計(jì)者而言，過多的芯片冗余在經(jīng)濟(jì)性上是不可接受的[13，14]?？紤]到芯片的結(jié)溫與損耗在實(shí)際工況中是隨工作頻率變化的，因此，熱穩(wěn)定性分析可以為器件的損耗評估提供更直接的參考。所以，高壓芯片的熱穩(wěn)定性分析對HVDC工程非常重要。并且，目前柔性電力電子裝備用高壓大功率IGBT器件主要使用的是NPT型和FS型IGBT芯片，目前文獻(xiàn)對NPT型IGBT芯片雖開展了一些熱穩(wěn)定性研究，但還未見FS型IGBT芯片相關(guān)的研究報(bào)道。因此，從器件選型的角度，也有必要對FS型IGBT芯片的熱穩(wěn)定特性展開分析。

本文首先介紹了高壓IGBT芯片及其動靜態(tài)特性測試平臺。其次，根據(jù)芯片的動靜態(tài)損耗結(jié)果，本文提出了損耗的解析公式，并推導(dǎo)了芯片熱穩(wěn)定性的判據(jù)。最后，通過對比分析高壓NPT型和FS型IGBT芯片的熱穩(wěn)定特性，得到了換流運(yùn)行下兩類高壓IGBT芯片的最高工作頻率和最大工作電流，并針對不同頻率的應(yīng)用場景提出了器件選型和損耗評估的建議。

1 IGBT芯片與動靜態(tài)特性測試平臺

IGBT芯片在換流運(yùn)行中會產(chǎn)生動靜態(tài)損耗導(dǎo)致芯片結(jié)溫升高，當(dāng)芯片結(jié)溫過高時，會進(jìn)而引發(fā)熱不穩(wěn)定性等問題。并且，IGBT芯片的動靜態(tài)損耗受芯片的換流條件(負(fù)載電流，阻斷電壓)和芯片結(jié)溫的影響。因此，為研究IGBT芯片的熱穩(wěn)定性，需要首先研究IGBT芯片的動靜態(tài)損耗的電熱特性。

1.1 NPT型和FS型高壓IGBT芯片

高壓NPT型和FS型IGBT芯片在設(shè)計(jì)上有許多區(qū)別，其中最典型的就是IGBT芯片摻雜濃度的不同。以本文中研究的高壓NPT型和FS型IGBT芯片為例，其典型芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型IGBT芯片結(jié)構(gòu)Fig. 1 Typical structures of IGBT chips

如圖1所示，相比于NPT型IGBT芯片，F(xiàn)S型IGBT的芯片結(jié)構(gòu)中增加了場截止層。因此，NPT型IGBT芯片內(nèi)部的電場分布呈三角形，而FS型IGBT芯片內(nèi)的電場分布則近似為梯形。FS型IGBT芯片內(nèi)部的場截止層不僅改變了芯片內(nèi)電場分布，同時還使得FS型IGBT芯片具有更小芯片寬度，使之可以有更小的通態(tài)管壓降。

IGBT芯片參數(shù)對芯片損耗等外特性的影響是復(fù)雜的，所以，在IGBT芯片設(shè)計(jì)中，往往需要根據(jù)工程中器件的應(yīng)用需求，對芯片的動靜態(tài)損耗等性能進(jìn)行權(quán)衡。即使同類型的芯片，其動靜態(tài)特性也會有差異。而對于換流閥工況而言，芯片的動靜態(tài)損耗特性和器件的散熱設(shè)計(jì)直接決定了芯片穩(wěn)定工作的區(qū)域。因此，開展IGBT芯片熱穩(wěn)定性的分析，需首先測量芯片的動靜態(tài)損耗特性。

1.2 IGBT芯片動靜態(tài)特性測試平臺

為了研究高壓IGBT芯片的動靜態(tài)損耗特性，本文選擇了額定3.3 kV/50 A的NPT型IGBT芯片，和3.3 kV/62.5 A的FS型IGBT芯片作為被測對象(Device Under Test, DUT)。NPT型和FS型IGBT芯片是高壓柔性電力電子裝備中主要使用的芯片，其動靜態(tài)特性的研究結(jié)果也可以為高壓IGBT器件的選型提供參考。其中，IGBT芯片動靜態(tài)特性測試平臺等效電路如圖2所示。

圖2 動靜態(tài)特性測試平臺的等效電路Fig. 2 Equivalent circuits of platform for dynamic and static characteristics

IGBT芯片靜態(tài)特性測試平臺的等效電路如圖2(a)所示。IGBT芯片被固定在加熱板上，以此調(diào)控芯片的結(jié)溫。同時，電流探頭和電壓探頭分別測量芯片的集電極電流Ic和集電極電壓Vce。Rσ是靜態(tài)平臺直流母排和連接導(dǎo)線的寄生電阻。當(dāng)設(shè)置直流電源Vgg的輸出電壓為15 V時，直流電壓源Vcc輸出的脈沖電壓信號會在芯片的集電極-發(fā)射極回路產(chǎn)生脈沖電流。電流的脈寬足夠小，以保證IGBT芯片的結(jié)溫不會因通態(tài)損耗而升高。

圖2(b)是IGBT芯片動態(tài)特性測試平臺的等效電路圖。其中平臺的寄生電感Lσ約為0.3 μH，負(fù)載電感L為1 mH，柵極電阻R1為20 Ω。直流電容器Cs通過直流電源充電，并為IGBT芯片提供反向阻斷電壓。IGBT芯片的集電極電流可通過柵極脈沖信號的脈寬調(diào)控，芯片結(jié)溫可通過固定芯片的加熱板調(diào)控。

利用動靜態(tài)特性測試平臺，可以研究芯片在不同結(jié)溫、負(fù)載電流和阻斷電壓下的動靜態(tài)損耗。

2 高壓IGBT芯片的損耗特性

2.1 IGBT芯片的靜態(tài)損耗特性

考慮到芯片在換流運(yùn)行時可在25 ℃至125 ℃的范圍內(nèi)工作，因此需要研究不同溫度下IGBT芯片的靜態(tài)特性。不同溫度下，NPT型和FS型IGBT芯片負(fù)載電流和通態(tài)管壓降的關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同溫度下IGBT芯片的I-V特性Fig. 3 I-V characteristics of IGBT chips at different temperatures

在圖3中，當(dāng)溫度為25 ℃，負(fù)載電流為30 A時，NPT型IGBT芯片的通態(tài)管壓降為2.5 V；相同條件下FS型IGBT芯片的通態(tài)管壓降為2.1 V。從圖中可知，NPT型和FS型IGBT芯片的通態(tài)管壓降都具有正溫度特性，當(dāng)FS型IGBT芯片的溫度從25 ℃升至125 ℃時，其通態(tài)管壓降升高至2.4 V。

對比圖3(a)和圖3(b)中的結(jié)果可知，F(xiàn)S型IGBT芯片比NPT型芯片有更低的通態(tài)管壓降。如，當(dāng)溫度為25 ℃，負(fù)載電流為50 A時，NPT型IGBT芯片的通態(tài)管壓降為3.1 V，比FS型IGBT芯片的通態(tài)管壓降高0.4 V。在該條件下，NPT型和FS型IGBT芯片的通態(tài)損耗功率分別為155 W和135 W。同時，由于FS型IGBT芯片具有更大的額定電流，F(xiàn)S型IGBT芯片將在低頻應(yīng)用中比NPT型IGBT芯片具有更高的能量密度和更好的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 IGBT芯片的動態(tài)損耗特性

在實(shí)際換流過程中，芯片的動態(tài)損耗會隨負(fù)載電流、阻斷電壓和芯片結(jié)溫的不同而變化，圖4給出了NPT型IGBT芯片和FS型IGBT芯片的動態(tài)損耗和負(fù)載電流的關(guān)系。

圖4 IGBT芯片動態(tài)損耗和負(fù)載電流的關(guān)系Fig. 4 Dependencies of dynamic loss on load current of NPT IGBT chip and FS IGBT chip

如圖4(a)所示，IGBT芯片的動態(tài)損耗會隨著負(fù)載電流的增加而增加。當(dāng)阻斷電壓為1.5 kV，溫度為25 ℃，電流為30 A時，NPT型IGBT芯片的動態(tài)損耗為30 mJ；而當(dāng)電流為50 A時，動態(tài)損耗為63 mJ。同時，從圖4(a)可知，IGBT芯片的動態(tài)損耗還受芯片結(jié)溫和阻斷電壓的影響。

同時，從圖4(b)中可知，NPT型IGBT芯片相比于FS型IGBT芯片具有更低的動態(tài)損耗。當(dāng)NPT型IGBT芯片負(fù)載電流為50 A，阻斷電壓為2 kV，溫度為25 ℃時，其動態(tài)損耗為80 mJ。在相同條件下，F(xiàn)S型IGBT芯片的動態(tài)損耗則超過了110 mJ。兩款高壓IGBT芯片的動態(tài)損耗都隨著阻斷電壓的增加而增加。需指出的是，當(dāng)FS型IGBT芯片負(fù)載電流小于30 A時，芯片的動態(tài)損耗阻斷電壓的關(guān)系近似線性；而芯片負(fù)載電流大于30 A時，芯片動態(tài)損耗隨阻斷電壓增加趨于飽和。圖4(a)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NPT型IGBT芯片的動態(tài)損耗是正溫度系數(shù)的。但是在圖4(b)中,當(dāng)FS型IGBT芯片的負(fù)載電流為40 A時，芯片的動態(tài)損耗隨著溫度的升高幾乎不變。甚至，當(dāng)FS型IGBT芯片的負(fù)載電流小于40 A時，F(xiàn)S型IGBT芯片的動態(tài)損耗展示出了負(fù)溫度特性。

根據(jù)IGBT芯片的損耗與芯片結(jié)溫、負(fù)載電流和阻斷電壓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到芯片損耗的擬合公式。利用損耗擬合公式不僅能推導(dǎo)得到芯片的熱穩(wěn)定解析判據(jù)，簡化熱穩(wěn)定性分析；還能確定芯片穩(wěn)定工作區(qū)域，為器件選型和運(yùn)行控制提供指導(dǎo)。

3 高壓IGBT芯片的熱穩(wěn)定性判據(jù)

3.1 高壓IGBT芯片的熱反饋過程

當(dāng)IGBT芯片在換流過程中，芯片的發(fā)熱和散熱是同時進(jìn)行的。因此，IGBT芯片的結(jié)溫由芯片的總損耗功率Pheat和散熱功率Pcool共同決定。

(1)

式中：Ta為環(huán)境溫度；Tj為IGBT芯片結(jié)溫。

圖5給出了當(dāng)IGBT芯片的發(fā)熱和散熱過程處于平衡時，建立的IGBT芯片換流運(yùn)行時的熱反饋過程。

圖5 IGBT芯片換流運(yùn)行時的熱反饋過程Fig. 5 Thermal feedback process in IGBT chip during operation states

如圖5所示，當(dāng)IGBT芯片工作在熱穩(wěn)定狀態(tài)時，需要滿足的第一個條件是芯片的總損耗功率等于芯片的散熱功率，即

Pheat=Pcool

(2)

同時，為保證芯片工作在熱穩(wěn)定狀態(tài)，還需滿足芯片總損耗功率對結(jié)溫的導(dǎo)數(shù)不大于散熱功率對結(jié)溫的導(dǎo)數(shù)，即

(3)

當(dāng)IGBT芯片的結(jié)溫過高時，會導(dǎo)致芯片性能的退化，從而引起芯片的失效。同時，若芯片工作的狀態(tài)不滿足式(3)條件，則微小的溫度擾動可能會導(dǎo)致IGBT芯片結(jié)溫的持續(xù)升高，從而導(dǎo)致芯片熱不穩(wěn)定失效。因此，為確保IGBT芯片在換流過程中的安全穩(wěn)定工作，需要根據(jù)式(2)和式(3)確定IGBT芯片的穩(wěn)定運(yùn)行的工作區(qū)域。

3.2 高壓IGBT芯片的熱穩(wěn)定性判據(jù)

為推導(dǎo)IGBT芯片的熱穩(wěn)定性判據(jù)，需要進(jìn)一步對芯片的動靜態(tài)損耗功率進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以用數(shù)值擬合的方法得到IGBT芯片通態(tài)管壓降Vce(on)和結(jié)溫Tj、負(fù)載電流Ic的關(guān)系，其表達(dá)式為

Vce(on)=(a1+a2Tj+a3Tj2)Ic+(a4+a5Tj+a6Tj2)

(4)

式中：ai,i=1,2,3…6為擬合系數(shù)。

圖6中給出了不同溫度下IGBT芯片I-V特性曲線的測試結(jié)果以及根據(jù)式(4)的擬合結(jié)果的對比，需要說明的是，本文給出的擬合公式(4)只對大電流情況下的I-V特性曲線成立?？紤]到在高壓直流輸電工程中，更關(guān)注芯片在大電流下的損耗情況；由于大電流下芯片的損耗更高，更易引起熱不穩(wěn)定問題，因此本文的上述處理方式對于高壓芯片的熱穩(wěn)定分析是合理的。

2.2 香菇普通粉與香菇超微粉色差比較 經(jīng)色差儀測定，香菇普通粉的L*值為68.67，香菇超微粉的L*值為74.91，兩者之間存在顯著性差異(P<0.05)，表明香菇粉粒度越小，粉體的亮度越高。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以通過減小香菇粉粒度提高其色澤。

圖6 IGBT芯片I-V特性和擬合結(jié)果的對比Fig. 6 Comparisons of experimental results and fitting results on I-V characteristics

從圖6中可知，當(dāng)負(fù)載電流大于30 A時，IGBT芯片的通態(tài)管壓降與擬合曲線有很好的一致性。采用數(shù)值擬合的方法不僅保證了損耗公式的精度，同時給出了通態(tài)損耗功率Pcon與芯片結(jié)溫Tj的關(guān)系。解析的損耗公式簡化了后續(xù)熱穩(wěn)定性判據(jù)的推導(dǎo)與分析，有助于確定高壓IGBT芯片的穩(wěn)定工作區(qū)域。

根據(jù)式(4)可得IGBT芯片的通態(tài)損耗功率Pcon表達(dá)式為

(5)

同樣的，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量的芯片動態(tài)損耗Ed與芯片結(jié)溫Tj，負(fù)載電流Ic、阻斷電壓Vce的關(guān)系，通過數(shù)值擬合可得到IGBT芯片動態(tài)損耗的擬合公式為

Ed=(b1+b2Tj+b3Tj2)IcVce+

(6)

式中：bi,i=1,2…9,是擬合系數(shù)。根據(jù)式(6)所得的高壓IGBT芯片2 kV的動態(tài)損耗擬合結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

如表1所列，高壓NPT型和FS型IGBT芯片的動態(tài)損耗的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與擬合結(jié)果非常接近。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與擬合結(jié)果的差異在2.6 mJ以內(nèi)，相對誤差小于4.5 %。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果的對比表明本文所提擬合公式(6)具有很好的準(zhǔn)確性。

表1 2 kV時IGBT芯片動態(tài)損耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果與擬合結(jié)果對比Tab.1 Comparisons of experimental results and fitting results on dynamic loss at 2 kV (mJ)

將式(5)和式(6)代入式(2)中，可得熱穩(wěn)定性第一條件為

(a4+a5Tj+a6Tj2)Ic]+

f[(b1+b2Tj+b3Tj2)IcVce+

(7)

其中，IGBT芯片結(jié)溫不應(yīng)高于125 ℃。同理，可將式(3)改寫為

(8)

式(7)和式(8)即為高壓IGBT芯片的熱穩(wěn)定性判據(jù)。當(dāng)式(7)和式(8)同時滿足時，芯片工作在熱穩(wěn)定狀態(tài)。同理，從芯片的熱穩(wěn)定性判據(jù)可知，工程中，需要根據(jù)IGBT芯片的動靜態(tài)損耗特性確定芯片的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。

4 芯片換流運(yùn)行的熱穩(wěn)定性分析

4.1 高壓IGBT芯片的穩(wěn)定換流狀態(tài)

從式(7)和式(8)可知，IGBT芯片在換流過程中的芯片結(jié)溫不僅取決于芯片的動靜態(tài)損耗特性，還與芯片的運(yùn)行條件，包括占空比α、工作頻率f、負(fù)載電流Ic、阻斷電壓Vce有關(guān)，同時也與器件封裝的結(jié)到殼熱阻Rth有關(guān)。當(dāng)以上參數(shù)確定后，IGBT芯片的穩(wěn)定結(jié)溫便可通過式(7)和式(8)得到。

當(dāng)IGBT芯片換流運(yùn)行的占空比α為0.5，阻斷電壓為2 kV時，NPT型IGBT芯片在不同負(fù)載電流、不同工作頻率下的結(jié)溫關(guān)系如圖7所示。

圖7 不同頻率下NPT型IGBT芯片結(jié)溫Fig. 7 NPT IGBT’s chip junction temperatures at different frequencies

在圖7中，實(shí)線代表不同頻率下NPT型IGBT芯片的總損耗功率Pheat，圖中虛線代表不同熱阻下散熱功率Pcool隨溫度變化的關(guān)系。例如，當(dāng)芯片的工作頻率超過2 kHz且封裝熱阻為0.75 ℃/W時，芯片的總損耗功率在25 ℃至125 ℃溫度范圍內(nèi)均大于散熱功率，表明當(dāng)芯片的負(fù)載電流為30 A時，此類芯片的開關(guān)頻率不能超過2 kHz。當(dāng)芯片負(fù)載電流為50 A時，對比圖7(a)和圖7(b)中的結(jié)果，芯片的總損耗功率隨著負(fù)載電流的增加顯著增加。同時，當(dāng)NPT型IGBT器件的熱阻為0.5 ℃/W時，芯片也無法穩(wěn)定工作在1.5 kHz頻率下。

同理，F(xiàn)S型IGBT芯片在不同負(fù)載電流、不同工作頻率下的結(jié)溫關(guān)系如圖8所示。

圖8 不同頻率下FS型IGBT芯片結(jié)溫Fig. 8 FS IGBT’s chip junction temperatures at different frequencies

對比圖7和圖8的結(jié)果可知，由于NPT型IGBT芯片具有更低的動態(tài)損耗，因此NPT型IGBT芯片具有比FS型IGBT芯片更高的最大工作頻率。當(dāng)芯片的負(fù)載電流為30 A時，且芯片的工作頻率和封裝熱阻分別為 3 kHz和0.5 ℃/W時，NPT型IGBT芯片的穩(wěn)定結(jié)溫接近125 ℃，而FS型IGBT芯片則無法工作。結(jié)合NPT型IGBT芯片和FS型IGBT芯片的損耗特性可知，雖然FS型IGBT芯片具有更低的通態(tài)管壓降，但是其在高壓中頻應(yīng)用中的穩(wěn)定工作區(qū)域卻較小。因此，在工程實(shí)際中，需要考慮工程需求，以選擇性能合適的器件。

4.2 高壓IGBT芯片中頻工況下的穩(wěn)定工作區(qū)

當(dāng)NPT型IGBT芯片的工作頻率大于1 kHz時，芯片的動態(tài)損耗占其總損耗的50%以上。因此，為保證芯片在工程中的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并確定IGBT芯片的串并聯(lián)數(shù)量，需要研究芯片的穩(wěn)定工作區(qū)。當(dāng)阻斷電壓為2 kV，封裝熱阻為0.75 ℃/W時，高壓NPT型和FS型IGBT芯片在不同負(fù)載電流下的穩(wěn)定工作區(qū)如圖9所示。

圖9 IGBT芯片的穩(wěn)定工作區(qū)Fig. 9 Stable operation areas of IGBT chip

從圖9(a)中可知，當(dāng)工作頻率超過1.3 kHz時，NPT型IGBT芯片便無法工作在額定電流下。同時，在芯片負(fù)載電流為30 A時，由于動態(tài)損耗的減小，芯片的最大工作頻率可以達(dá)到2.6 kHz。在圖9(b)中，當(dāng)FS型IGBT芯片的負(fù)載電流為30 A時，芯片的最大可工作頻率為2.2 kHz。而當(dāng)芯片工作在額定電流時，F(xiàn)S型IGBT芯片的最大可工作頻率約為1 kHz。因此，由于芯片動態(tài)損耗過大，在中頻工況下，F(xiàn)S型IGBT芯片的穩(wěn)定工作區(qū)較NPT型IGBT更小。

同時，圖10給出了當(dāng)占空比為0.5，器件結(jié)到殼熱阻為0.75 ℃/W時，不同工作頻率下芯片負(fù)載電流與結(jié)溫的關(guān)系。

圖10 不同工作頻率下芯片負(fù)載電流與結(jié)溫的關(guān)系Fig. 10 Relationship between junction temperature and collector current under different frequencies

由圖10可知，IGBT芯片的最大工作電流會隨著芯片工作頻率的增加而減小。對于NPT型IGBT芯片，當(dāng)工作頻率為500 Hz時，芯片的最大工作電流為48 A；當(dāng)工作頻率升高至2 kHz時，芯片的最大工作電流減小為28 A。當(dāng)工作頻率達(dá)到3 kHz時，NPT型IGBT芯片的最大工作電流為22 A，而FS型IGBT芯片的最大工作電流僅為20 A。可見，雖然FS型IGBT芯片具有更高的額定電壓，但是由于芯片熱穩(wěn)定性的限制，NPT型IGBT芯片在中頻工況下具有更寬的穩(wěn)定工作區(qū)。

5 結(jié) 論

本文主要針對高壓IGBT芯片在換流運(yùn)行中的熱穩(wěn)定性開展了分析，并以3.3 kV高壓NPT型和FS型IGBT芯片為例，對比分析了不同芯片在高壓直流輸電工程應(yīng)用中的損耗特性和穩(wěn)定工作區(qū)域。主要結(jié)論如下：

(1)實(shí)驗(yàn)研究了NPT型和FS型IGBT芯片不同溫度下的動靜態(tài)損耗特性與電壓、電流的關(guān)系。結(jié)果表明，在相同換流條件下，高壓FS型IGBT芯片具有更低的靜態(tài)損耗，高壓NPT型IGBT芯片具有更低的動態(tài)損耗。

(2)提出了高壓IGBT芯片的損耗擬合公式，推導(dǎo)了IGBT芯片的熱穩(wěn)定性判據(jù)。解析的擬合公式不僅與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性，同時也簡化了高壓IGBT芯片的熱穩(wěn)定性分析。

(3)分析了高壓IGBT芯片的熱穩(wěn)定特性，研究了高壓IGBT芯片在不同換流工況下的穩(wěn)定工作區(qū)域。得到了高壓IGBT芯片在不同工作頻率下的最大工作電流，為高壓直流輸電工程應(yīng)用中的器件的選型與損耗評估提供了參考。