引言

　　進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，以大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電為代表的新能源是我國(guó)未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點(diǎn)發(fā)展方向，而傳統(tǒng)的交流輸電和直流輸電技術(shù)已經(jīng)難以滿足以大規(guī)模風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電安全可靠接入電網(wǎng)的迫切需求。而基于高壓大功率電力電子技術(shù)的靈活交流輸電和高壓直流輸電是未來智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各種大規(guī)模新能源的安全高效的接入電網(wǎng)的核心技術(shù)之一。

　　在新一代高壓大功率可關(guān)斷電力電子器件中，由于IGBT器件的優(yōu)越的門極控制功能、較低的通態(tài)損耗和電壓電流參數(shù)的迅速提高，使得IGBT器件已成為大功率電力電子技術(shù)中的首選器件。IGBT能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排，并提高電力的利用效率，具有很好的環(huán)境保護(hù)效益，被公認(rèn)為電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品，是未來應(yīng)用發(fā)展的必然方向。

　　不過，隨著lGBT的應(yīng)用日益廣泛，人們對(duì)其性能的要求也越來越高，一方面，為了提高工作頻率，降低系統(tǒng)噪聲。IGBT的開關(guān)速度應(yīng)越快越好，另一方面，為了在不増大散熱片尺寸的情況下IGBT的功耗又必須足夠低。此外，電力系統(tǒng)應(yīng)用中，IGBT的特性必須非常穩(wěn)定，保證電力的安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。近幾年來，芯片技術(shù)不斷改進(jìn)，一代又一代高性能的IGBT及IGBT模塊層出不窮，盡管如此，IGBT的功耗還沒有降到用戶滿意的程度，特性還是不夠穩(wěn)定。

　　在這種情況下，針對(duì)電力系統(tǒng)的特殊特點(diǎn)和需求，進(jìn)行IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的研究可以解決現(xiàn)階段降低能耗、增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性、減少射頻與電磁干擾等問題。IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)不僅可以從芯片級(jí)提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，還可以從模塊級(jí)、裝置綴、系統(tǒng)級(jí)提出對(duì)器件相應(yīng)的參數(shù)，以用于改善整個(gè)系統(tǒng)的性能，比如針對(duì)IGBT的串聯(lián)需求對(duì)IGBT壓接式模塊進(jìn)行l(wèi)GBT與FRD的匹配研究。

　　與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)

　　與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)就是針對(duì)不同的電力應(yīng)用，在特定的IGBT芯片的情況下合理設(shè)計(jì)快恢復(fù)二極管的結(jié)構(gòu)參數(shù)、封裝參數(shù)及電路參數(shù)的一種新型技術(shù)。此技術(shù)將為lGBT模塊的設(shè)計(jì)與研制提供一定的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為電力電子器件的研制和電力電子裝置的研發(fā)帶來優(yōu)勢(shì)，可以減少電力電子裝置在使用中的電能損耗，為節(jié)能減排，低碳社會(huì)作出貢獻(xiàn)。

　　與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

　　與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)的主要特點(diǎn)如下：

　　對(duì)于lGBT模塊選擇合適的IGBT芯片與快恢復(fù)二極管芯片；

　　設(shè)計(jì)更合理的芯片結(jié)構(gòu)，改變lGBT芯片結(jié)構(gòu)以及快恢復(fù)二極管的軟度參數(shù)以求減小損耗和提高可靠性。

　　在封裝上進(jìn)行更加合理的設(shè)計(jì)。

　　在市場(chǎng)上現(xiàn)有的IGBT與快恢復(fù)二極管的條件下，選擇合理的匹配參數(shù)。

　　與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于可以應(yīng)用到任何包含IGBT應(yīng)用的場(chǎng)合，比如可再生能源并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)供電、電網(wǎng)互聯(lián)、無功補(bǔ)償、高壓變頻等領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減持，低碳社會(huì)的有力措施，是我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)所急需的電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

　　與快恢復(fù)二極管匹配的技術(shù)應(yīng)用前景

　　做好IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)就為IGBT模塊的應(yīng)用技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，可以應(yīng)用于含有l(wèi)GBT和快恢復(fù)二極管的各個(gè)行業(yè)，為節(jié)能減排，低碳生活做出有利貢獻(xiàn)，IGBT是現(xiàn)代逆變器的主流功率器件，快恢復(fù)二極管是其不可缺少的搭檔，這種技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于變頻家電、電機(jī)、太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車、高速鐵路和智能網(wǎng)等各個(gè)節(jié)能領(lǐng)域，優(yōu)化IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)可以使IGBT變頻裝置噪聲降低，功率因數(shù)提高，節(jié)省電能，節(jié)省材料，縮小裝置體積，降低成本使裝置工作穩(wěn)定可靠，壽命大大延長(zhǎng)，減少對(duì)電網(wǎng)的污染。

　　與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

　　隨著lGBT與FRD的發(fā)展，其耐壓等級(jí)、電流容量和開關(guān)頻率進(jìn)一步得到提高，要求IGBT與FRD的匹配更加嚴(yán)格，特別是在高壓大功率場(chǎng)合。隨著電力電子技術(shù)和新材料器件的發(fā)展，IGBT與FRD的匹配面臨更嚴(yán)峻的考驗(yàn)，合理的選擇參數(shù)進(jìn)行匹配不僅能夠降低功率損耗，而且有利于提高器件工作可靠性。IGBT芯片的發(fā)展將會(huì)帶動(dòng)FRD芯片的發(fā)展，兩個(gè)芯片的同時(shí)發(fā)展必然將帶來IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)的發(fā)展，參數(shù)的正確選擇可以使IGBT模塊在較大的溫度和電流范圍內(nèi)具備較低的正向?qū)▔航?，較小的開關(guān)損耗和恢復(fù)電荷，使器件可以覆蓋更廣的功率范圍，更好的動(dòng)態(tài)抗沖擊性以確保發(fā)生短路時(shí)能夠避免器件損壞。

　　與FRD匹配的發(fā)展趨勢(shì)包括：

　　用碳化硅二極管代替快恢復(fù)二極管，實(shí)驗(yàn)證明1200V IGBT模塊總能耗可改善20%~40%。

　　新型材料：為充分利用新材料器件的優(yōu)勢(shì)，要求模塊結(jié)構(gòu)在更高結(jié)溫下的寄生電感和電容要小，比如碳化硅、氨化鎵器件等。

　　不斷地改進(jìn)IGBT與快恢復(fù)二極管的器件結(jié)構(gòu)和性能，發(fā)明新型器件，組合新的模塊以降低功率損耗。

　　仿真分析

　　為了研究影響lGBT與快恢復(fù)二極管匹配的參數(shù)，本文采用ISE仿真軟件對(duì)IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)進(jìn)行仿真研究。

　　主要進(jìn)行了以下兩個(gè)方面的仿真研究：1)采用不同的快恢復(fù)二極管與IGBT進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真；2)在同一IGBT與快恢復(fù)二極管仿真的基礎(chǔ)上改變仿真條件進(jìn)行仿真，比如改變線路的雜生電感、封裝的寄生電感與電容、驅(qū)動(dòng)電阻等。

　　不同的快恢復(fù)二極管與IGBT進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真

　　快恢復(fù)二極管A參數(shù)，P+陽(yáng)極表面摻雜1.5e16cm3，結(jié)深20μm；N-漂移區(qū)濃度為6e13cm3，

　　厚度為120μm；N+陰極的最高表面濃度為5e19cm3，厚度為50μm；整體進(jìn)行壽命控制，電子壽命為1e-7s，空穴壽命為1.6e-7s。

　　快恢復(fù)二極管B參數(shù)：P+陽(yáng)極表面摻雜5e15cm3，結(jié)深6μm；N-漂移區(qū)濃度為6e13cm3，厚度為74μm；在硅片背面形成緩沖層的N+陰極，其中緩沖層的最高濃度為4e16cm3，厚為18μm；N+陰極的最高表面濃度為5e19cm3，厚度為1μm；整體進(jìn)行壽命控制，電子壽命為7e-7s，空穴壽命為7e-7s。仿真電路如圖1所示：

　　圖1 IGBT與快恢復(fù)二極管的仿真電路

　　仿真數(shù)據(jù)如表1所示，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可以判定快恢復(fù)二極管B比快恢復(fù)二極管A在與IGBT匹配時(shí)lGBT動(dòng)態(tài)特性好，從而在進(jìn)行IGBT與快恢復(fù)二極管匹配時(shí)要進(jìn)行選擇合適的快恢復(fù)二極管，外特性包括：額定電壓、額定電流、額定頻率等；器件參數(shù)包括結(jié)構(gòu)、壽命控制、陽(yáng)極發(fā)射極效率控制等。

　　表1 不同F(xiàn)RD與IGBT匹配的IGBT動(dòng)態(tài)特性分析

　　在同一IGBT與快恢復(fù)二極管仿真的基礎(chǔ)上改變仿真條件

　　本仿真采用上述仿真的快恢復(fù)二極管B進(jìn)行考慮封裝與驅(qū)動(dòng)帶來的寄生電感與電容和電阻改變相應(yīng)仿真條件的仿真試驗(yàn)，主要包括：a)集電極加入封裝寄生電感13nH、(b)基極電阻増大到30歐姆、(c)二極管兩端加入寄生電容40pf、(d)基極電阻增大到30歐姆并且二極管兩端加入寄生電容40pf、(e)二極管兩端加入寄生電容40pf且基極加10nH寄生電感、(f)二極管兩端加入寄生電容40pf，基極加10nH寄生電感且基極電阻為25歐姆，每個(gè)方案的電路參數(shù)如表2所示，仿真電路如圖2所示。

　　表2 改變仿真方案的電路參數(shù)表

　　圖2 IGBT與快恢復(fù)二極管仿真電路圖

　　仿真數(shù)據(jù)如表3所示，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可以推出在其他條件不改變的條件下，1)根據(jù)a與b、c與d、e與f的仿真結(jié)果可以的得到：增加門極驅(qū)動(dòng)電阻會(huì)增大IGBT的關(guān)斷下降時(shí)間，增加損耗；2)根據(jù)第一個(gè)仿真試驗(yàn)FRD B與本仿真試驗(yàn)中的a進(jìn)行對(duì)比可以看出：增大發(fā)射極的封裝電感會(huì)大幅增大IGBT開通的恢復(fù)時(shí)間和開通損耗；3)根據(jù)c與e的仿真結(jié)果可以得到：増大基極的封裝電感會(huì)增大IGBT關(guān)斷下降時(shí)間，增加關(guān)斷損耗。4)而由a與c、b與d的仿真數(shù)據(jù)可以得到在一定范圍內(nèi)快恢復(fù)二極管的寄生電容對(duì)IGBT的動(dòng)態(tài)特性影響不大，因此，減小門極驅(qū)動(dòng)電阻，降低封裝寄生電感可以提高IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配性能。

　　表3 改變電路參數(shù)的IGBT的動(dòng)態(tài)特性分析

　　結(jié)論

　　本文簡(jiǎn)述了lGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用前景以及發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用ISE軟件進(jìn)行IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的仿真研究與設(shè)計(jì)，得到影響IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配的技術(shù)參數(shù)：1)lGBT與快恢復(fù)二極管的額定電壓；2)IGBT與快恢復(fù)二極管的額定電流；3)lGBT模塊封裝的寄生電感；4)IGBT模塊封裝的寄生電容；5) lGBT驅(qū)動(dòng)的基極電阻；6) IGBT與快恢復(fù)二極管的額定頻率；7)外電路的參數(shù)設(shè)計(jì)。從上述結(jié)論可知，IGBT與FRD的匹配不僅需要考慮器件間的匹配關(guān)系，還需要綜合考慮外電路對(duì)器件特性的影響。

　　本文提出在IGBT對(duì)特定的情況下如何優(yōu)化IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的幾種方法如下：1)選擇額定參效(電壓、電流、頻率)與IGBT一致的快恢復(fù)二極管；2)降低驅(qū)動(dòng)門扱電阻；3)降低IGBT與快恢復(fù)二極管并聯(lián)的寄生電感(集電極與基極)；4)電路設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)考慮IGBT與快恢復(fù)二極管井聯(lián)的寄生電容；5)根據(jù)IGBT與快恢復(fù)二極管的應(yīng)用需求合理設(shè)計(jì)外電路的參數(shù)(電容、電感、電阻等)。

　　與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源，實(shí)行低碳的有力措施，是我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)所急需的電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。