如何优化硅IGBT的频率特性？

就功率半导体而言，高规格辅助电源发展中最有前途的方向之一与使用基于硅IGBT和SiC肖特基二极管的“混合”半导体开关有关。肖特基二极管的使用可以大幅降低二极管中功率损耗的频率相关分量，减少IGBT中的导通能量损耗，并在电力电子学的典型模式下扩大开关元件的安全工作区域。使用硅IGBT可以优化器件的成本。
这种减少损耗功率的频率相关分量的要求突出了改善IGBT频率特性的必要性，因为正是这种元件限制了整个混合开关的频率响应。
实验样品
该实验基于沟槽场停止IGBT芯片的样品，该芯片的额定阻断电压高达1200 V，标称电流高达200 A，厚度为125μm。
通过质子辐照改善了IGBT的频率特性，相关技术在［1］中有详细描述。质子辐照的剂量各不相同，使得可以获得具有各种静态和动态特性组合的芯片。氢原子的路径长度保持不变。
实验性IGBT设计用于在混合（Si / SiC）模块中与SiC肖特基二极管一起工作。
对实验模块进行了以下特性测试：
- IGBT 集电极-发射极饱和电压 （Vc sat） 在 25 和 150°C 的温度下，集电极电流 Ic = 0.25 x Inom 和 Ic = I nom，栅极两端的电压为 15 V;
- IGBT导通损耗Eon的能量，IGBT关断损耗Eoff的能量。测量条件：温度25和150°C;集电极-发射极电压600V;栅极-发射极电压±15V;栅极电路中的电阻 2.2 欧姆;测试仪单元直流电路中的杂散电感低于 35 nH;集电极电流从 0.4 x Inom 到 1.5 x Inom。模块结构的杂散电感约为20 nH。
Vce，Eon，Eoff的剂量关系
IGBT的Vce sat，Eon，Eoff与质子的剂量（积分通量-***）之间的典型关系如图1，图2所示。
Vce sat 关系可以通过线性函数可靠地近似：

与（1）类似，可以近似Vce sat关系的分段线性近似的电流和分量之间的剂量关系：截止电压（VT0）和动态电阻rT：

图2表明，对于SiC SBD模块，Eon的剂量关系几乎不存在，并且在上述“标称”模式（Eonnom）下测量的Eon值相当低。

图1：Vcesat和剂量之间的典型关系。Ic=Inom=200 A， Tj=150 C
对Eoff和剂量之间关系的分析表明，它可以近似为一种关系：

其中 Eoffnom 是在上述“标称模式”下测量的 Eon 值，Eoff0 – 不依赖于辐照处理的损耗能量分量
E0ff1 – 取决于辐照处理的损失能量分量，ф1 – 常数。
Eon / Eoff与电流/电压之间的关系大致成正比：

其中 Ic nom = 200 A 是标称集电极电流，Vc 0.5nom = 600 V 是在标称模式下测量的集电极-发射极电压。

图2：Eon / Eoff与剂量之间的典型关系。Ic=Iсnom=200 A， Tj=150 C
优化方法
IGBT（Ploss）的功率损耗由“静态”和“动态”组件组成。“静态”主要是由集电极电流流过导通器件引起的，取决于集电极-发射极饱和（Vcesat）的电流和电压，但不受频率影响。“动态”分量是由瞬态导通和关断过程中的能量耗散引起的，与频率（f）成正比。
改善频率特性（在这种情况下，质子辐照）的技术使得降低损耗功率的动态分量成为可能。然而，它以增加静态成分为代价来实现它，虽然前者单调减少，但后者随着辐射剂量的增加而单调增加［1，2］。
因此，对于开关的任何特定工作模式，我们可以获得不同辐射剂量下的损耗功率和频率之间的一系列依赖关系，类似于图3所示。该系列的包络（如图3所示，红线）实际上是极限线，显示了在特定模式下工作的给定设计和技术版本的开关的最低损耗功率。该极限线的每个点对应于一定最佳剂量的质子辐射，允许在给定频率下操作开关时获得最小的损耗功率。这种最佳辐射剂量可以从局部最小能量损失的条件来确定：
dPloss（F; f， Ic， Vce）/dF=0
了解质子辐照剂量与Vce（VT0，rT），Eon，Eoff等IGBT特性之间的关系，构建特定的极限线并确定开关在特定频率下的最小损耗功率，所需的质子辐照剂量以及该剂量的Vce，Eon，Eoff的最佳值是微不足道的。

图 3：最佳损耗功率
寻找在辅助电源中运行的混合开关的最佳特性
让我们为降压型 DC/DC 转换器中使用的混合斩波开关找到 IGВТ 的最佳特性，具有以下特性：直流输入电压 560 V，直流输出电压 300 V，输出电流高达 100 A。 使用关系 （5） 并考虑到 （2）、（3）、（4），很容易获得将最佳照射剂量 （фopt） 的值与集电极电流的频率和值联系起来的公式，并且电压：

其中Ѳ = 0.54是上述转换器中使用的IGBT的电流填充因子。
图4显示了各种I c/Ic名称的фopt和频率之间的关系。

图 4：фopt 和频率之间的关系。
图5显示了使用关系Fopt在Ic/Ic nom = 0.5下获得的IGBT处最小损耗功率的极限线。它表明，在高达 50 kHz 的频率范围内，这条线路可以可靠地近似于两个模块系列（快速和超快）的频率和损耗功率之间的关系。它们的IGBT照射剂量在图4上用点标记。该图显示，对于高达 12 kHz 的频率，使用 FAST 系列是最佳选择，对于高于 12 kHz 的频率，使用 ULTRAFAST 系列是最佳选择。在这两种情况下，器件的最大工作频率都受到散热器散热的最大功率和模块基板产生的温度的限制（本例选择了液体冷却）。

图 5：IGBT 处最小损耗功率的极限线及其近似值，通过频率和 IGBT 损耗功率之间的关系，适用于两个模块系列（快速和超快）。
如果我们接受100A作为上述混合模块的标称电流，则150°C下的典型IGBT特性如下：
- 对于快速系列，Vcesat = 1.62 V，Eon = 2.75 mJ，Eoff = 10.0 mJ;
- 对于超快系列 – Vcesat = 2.5 V，Eon = 2.75 mJ，Eoff = 6.0 mJ。
我们提出了一种方法来确定用于在混合模块中与SiC SBD联合操作的快速硅IGBT芯片的最佳性能。对于工作频率高达 50 kHz 的 DC/DC 转换器中使用的混合模块，确定了质子辐射的最佳剂量以及 1200V IGBT 的最佳静态和动态特性。应该注意的是，使用不同设计和不同技术来提高速度的IGBT，以及改变转换器的拓扑和工作模式，当然会导致该方法中使用的参数和常数的数值发生变化。但是，可以预期，拟议公式的结构不会改变。