制造商已經為高壓直流 (HVDC) 應用開發出新的 4.5kV 絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)/ 二極管芯片組并對其性能進行了優化 。這種芯片組的特點是導通電壓損耗非常低、具備大電流高電壓快速開通行為和高魯棒性的短路行為。在 IGBT 和二極管上應用 HDR 技術，可以獲得高魯棒性。4.5kV 級芯片組的出現，是對現有 3.3kV 和 6.5kV 高壓級芯片組產品的補強。該芯片組有兩種不同的外殼可供選擇：

第一個芯片組采用高度絕緣 6.5kV 模塊外殼，提供 10.2kV 隔離能力，具備的爬電距離和間隙距離能應付帶 2500-3000V 直流母線電壓的牽引應用的惡劣環境。第二個芯片組是為 IHV-B外殼設計的，是用途遍及全球的著名 IHV-A 模塊的接班者。該模塊適合在工業應用中使用，例如中壓變頻器和各種高壓直流 (HVDC) 場合，也適合在柔性交流輸電系統 (FACTS) 應用領域使用。模塊參見圖 1。

圖 1：4.5kV FZ1200R45HL3 模塊的封裝

為未來的 HVDC 系統 – 相較于眾所周知的基于晶閘管的并網換相高壓直流傳輸，這些基于 IGBT 的電壓源轉換器 (VSC) 將會對未來的 HVDC 系統起到重要的作用。基于 IGBT 的解決方案依賴于獨立的有功電流和無功電流控制，而這種控制又是借助 IGBT 的導通和關斷功能實現的。此外，它們在應付交流電網故障方面還表現出了優越的性能。

在高壓應用領域，需要以串聯方式連接大量的半導體，而且必須保證高精度的同步開關。為了更好地滿足如此苛刻的設計要求，建議在 HVDC 和 FACTS 等高壓應用中使用多電平 VSC - 模塊化多電平變換器 (MMC)。在 HVDC 應用中，單個 IGBT 模塊的開關頻率可以降低。因此，低通態損耗對于降低總功耗的作用尤其令人感興趣。

IGBT 和二極管的結構

IGBT 溝槽技術因為單元之間的載流子累積作用、單元間距和溝道長度經過優化、并且有專為高阻斷電壓而設計的溝道寬度，所以通態損耗很低。因此，溝槽技術提供了一種影響單元下載流子濃度的可行辦法，并且影響范圍比標準平面技術的更寬。圖 2 描繪的是 4.5KV IGBT/ 二極管的剖面示意圖。兩種設備都采用了 VLD 結構(橫向摻雜)進行邊緣終結。這種結構與垂直 HDR 結構相結合，令開關序列期間的動態雪崩現象減少，從而賦予 IGBT 極高的關斷魯棒性，賦予二極管極高的整流魯棒性。

圖 2：適用 HDR 和 VLD 邊緣終結的 IGBT(左)和 EC 二極管(右)的剖面示意圖

電氣性能

1)靜態特性

為了實現4.5KV IGBT 較低的導通狀態電壓，特意對眾所周知的 6.5KV 器件平臺溝槽技術進行了調整。做法是選用合適的基體材料并且采用經過調整的場截止(field stop) 和經過優化的電池設計，賦予 4.5kV 器件同類最佳的通態特性。基于 FZ1200R45HL3 模塊的標稱電流 1200A，獲得了典型的 VCE(sat)=2.35 V@25℃，VCE(sat)=2.9V@125°C 和 VCE(sat)=3.0V@150℃。EC 二極管在電流等于標稱電流 1200A 時表現出幾乎呈中性的溫度系數，在 25°C ≤ T ≤ 150°C 的溫度范圍內表現出典型的正向壓降并且 Vf≤2.5V。

2)動態特性

額定條件下，即 VCE=2.8kV，IC =1200A 和 T=150℃ 的開關波形如圖 3 所示。在這些條件下，可以發現存在換向電感為 150 nH 的軟關斷行為。VCE 不超過 3.4kV。在更加苛刻的條件下，即有雜散電感更高、電流更大、工作溫度低至 -40°C 時，軟關斷也能保證。典型的接通和反向恢復波形也被描繪成圖，圖中可以看到非常平滑的 IF 尾部漸變。

圖 3：典型波長 @ 800V / 1200A， 150µH， 150°C

關斷： VCE=400V/div， IC=150A/div， Rgoff=5.1 W ， VGE=5V/div

接通：VCE=350V/div， IC=300 A/div， Rgon=1.2 W ， VGE=5V/div

反向恢復： VCE=500V/div， IC=500A/div， Rgon=1.2 W

高電壓和高電流下開關

在 HVDC 應用中，確保在發生故障時，IGBT 能在高電壓、大電流條件下及時表現出快速開通行為非常重要，已對器件在超出 RBSOA 限制的此等條件下的耐用性進行了評估。

溝道寬度是 IGBT 可采用的、針對可預測的失效事件而調整開通行為的參數。溝道寬度增加，可獲得快速導通性能。但同時，溝道寬度增加，短路電流也會隨之增大，所以要受短路能力的限制。因此，必須在開通性能與短路能力之間尋求平衡，或者也可以通過增強 IGBT 的垂直結構同時滿足提升開通性能和增強短路能力兩個要求。

3)短路能力

為了證明 IGBT 的 1 型短路能力，對其施加 VCE=3000V、VGE=17V 和 T=125℃的苛刻條件。9500A，接近標稱電流的 8 倍，被成功關斷。

垂直的 IGBT 結構經過優化，延長短路時間下限直至器件失效。圖 4 顯示了一個短路波形。短路事件可以由 IGBT 模塊 FZ1200R45HL3 來處理，即使在 10μs 的短路持續時間之后，該裝置依然能夠提供可靠關斷。

圖 4：短路波形 @ 3000V， 125°C， VGE=17 V (VCE=500V/div， IC=1.3kA/div， VGE=10V/div)

4)IGBT 和二極管的魯棒性

在高壓直流應用以及牽引應用中， IGBT 和二極管能夠憑借其具備的高過流關斷能力提高系統的可靠性。

采用 HDR 概念后，終結系統對 IGBT 的魯棒性的影響可以忽略不計。只有單元設計會構成限制因素。溝槽結構容許進一步降低 IGBT 的源極長度。因為電流密度與源極長度成反比地減少，所以溝槽 IGBT 的閉鎖免疫力得到了有效地改善，并且獲得優異的關斷耐用性，具體表現在能開關 比標稱電流高 4 倍的電流而不導致電流或電壓信號發生嚴重振蕩。

除了低通態電壓外，新的 4.5kV EC 二極管還表現出低動態功耗和非常高的魯棒性。已經在 Pmax≥4MW 條件下對 200A 標稱電流模塊進行了二極管恢復測試，測試結果證明二極管沒有損壞。

5)浪涌電流能力

發生輸電線路短路等故障時，在二極管工作期間可能遭遇到高浪涌電流等失效條件。因此，承受高浪涌電流的能力是考察模塊可用性的一個重要標準。可通過優化垂直設計降低 VF 并且運用 HDR 概念，獲得足夠的抗浪涌電流能力。一個 IC =1200A 的模塊，典型的 IFSM 值可達到 10kA 左右，相當于 125°C 下 I2t 等于 500 kA2s，150℃下 I2t 等于大約 500 kA2s。

6)宇宙輻射的魯棒性

4.5kV IGBT 和發射極控制二極管的設計決定了它們相對宇宙輻射具有較強的魯棒性。垂直器件結構在典型的直流母線電壓下表現出低電場強度。已測明 FZ1200R45HL3 模塊在 ~3kV 直流母線電壓下的典型失效率 (FIT)，即 109 小時運行時間內的失效數為 100 FIT。除了阻斷直流母線電壓期間的穩定狀態以外，開關運行下的宇宙輻射魯棒性也被考慮到了。模擬實驗證實，dV/dt≤ 2kV/μs 情況下的額外動態 FIT 率可以忽略不計，因為器件內部電場有限。

總結

新近推出的 4.5KV 溝槽場截止 IGBT 和發射極控制 EC 二極管專為工業應用而設計，采用 IHV-B 封裝者尤其適合用于高壓直流應用場合。該 IGBT 和二極管具備非常低的通態電壓和快速開啟 IGBT 開關的行為，尤其適合在超出標準的條件下的高電壓大電流環境下使用。同時，FZ1200R45HL3 模塊還顯示出了優秀的短路性能。此外，過流關斷試驗也證明了 IGBT 和二極管出色的魯棒性。新器件的最高設計工作溫度為 150℃。這些功能都是通過運用 HDR 技術調整溝槽單元設計以及 6.5kV IGBT 的垂直結構來實現的。