非穿通型IGBT與場截止型IGBT在實際應 用中的差異V4.0

作者：      江斌  成星 
作者單位： 江蘇中科君芯科技有限公司
摘要：在相同的逆變焊機平臺上，分別測試NPT-IGBT與FS-IGBT的溫升，及VGE，VCE, IC等波形，對比分析NPT-IGBT與FS-IGBT在逆變焊機應用中的優異。
關鍵字：非穿通型NPT-IGBT，場截止型FS-IGBT，逆變焊機.
1、前言
   IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor）全稱為絕緣柵雙極晶體管，作為逆變焊機中高頻逆變的主要開關器件，其性能的優劣將直接影響焊機整體表現。隨著國內工藝水平和設計能力的提升，國產IGBT開始進入焊機領域。中科君芯IGBT芯片技術歷經穿通型（PT）IGBT與非穿通（NPT）型IGBT，過渡到目前國際最新的溝槽柵場截止型技術FS-IGBT(圖1)。針對焊機產品的1200V系列正是采用了這一最新技術。
相對于PT和NPT，FS技術的特點為正面采用溝槽柵結構可進一步減小正向導通時飽和壓降值VCE(sat)，同時背面采用場截止技術進一步優化器件的開關性能，在提高性能同時可使芯片做的更薄，這種結構特性對高壓器件來說是至關重要的。        

焊機領域開關頻率一般≥20kHz，為適應這一頻率要求，特別針對開關特性和飽和壓降進行折中優化，保證在降低開關損耗的前提下導通壓降值不能有顯著增加。
因變壓器漏感及引線寄生電感的存在，當IGBT關斷時，di/dt在雜散電感上形成電壓尖峰，針對這一特點，在設計IGBT耐壓時進行優化處理（標稱1200V器件的實際耐壓值達到1400V左右）。
另外焊機中和IGBT反并聯的FRD及外置吸收電容的存在，使得IGBT在開通時產生很大的du/dt，導致IGBT開通時流過IGBT的電流會出現較大的峰值。在設計IGBT時特別針對IGBT的集電極重復峰值電流ICRM進行特殊處理，從而使峰值電流在額定值的4倍條件下進行安全工作，并考核在不同脈沖寬度下該器件承受峰值電流的能力。
本文通過對中科君芯1200V FS-IGBT和國外主流器件在逆變電焊機上進行對比測試，分析探討NPT與FS技術IGBT在實際應用中的優劣與差異。
2、實驗平臺
國內某品牌220V/380V雙電壓輸入電焊機，型號為ZX7-250ML，全橋電路拓撲，單臺機器IGBT用量為4pcs， 25A 1200V單管IGBT，機器初始設計用國際F品牌 NPT-IGBT單管，測試時用國際I品牌FS-IGBT和君芯FS-IGBT單管器件直接替換測試，未調整驅動電路。工作時IGBT開關頻率為26kHz。
3、溫升對比實驗
測試目的：測試場截止型FS-IGBT與NPT-IGBT在焊機應用中的溫升性能優異。
測試方法：輸入電壓220V，實際輸出電流160A，輸出電壓26.4V，60%暫載率測試.
測試結果：
室內常溫下測試結果數據：

高溫老化實驗室內測試結果數據：

結論：
     在此款機型測試平臺下及相同測試條件中，場截止型IGBT溫升性能明顯優于非串通型IGBT。中科君芯場截止型IGBT與國際領先的I品牌FS-IGBT在溫升性能變現上相當。
4、VCE, IC,VGE波形對比測試實驗
測試目的：測試場截止型FS-IGBT與NPT-IGBT在焊機應用中的相關波形是否存在較大差異
測試方法：高溫40℃下，輸入電壓220V，實際輸出電流160A，輸出電壓26.4V。
測試結果：

VCE波形對比：

Ic波形對比：

結論：
在該測試平臺及上述測試條件下，NPT-IGBT與FS-IGBT波形接近，測試數據均在規格范圍之內。在實際焊接電流沖擊實驗過程中，測試實驗器件沖擊電流都未超過額定值的2倍(50A)；經過多次點焊，及連續焊接；器件表現穩定，抗沖擊性無差異。
總結：
    通過以上實驗數據，表明場截止型IGBT比非穿通型IGBT在較高頻率的逆變焊機應用中，溫升性能表現更優，可持續負載時間更長。中科君芯自主研發的FS IGBT芯片技術已經和國際一線品牌相當。