1200VTRENCHSTOP™IGBT7H7单管性能分析及其在T型三电平拓扑中的应用

图1  英飞凌不同1200V单管的开关损耗和导通损耗对比

图2 1200V H7单管产品系列

1200V HIGHSPEED3 H3 IGBT针对高频应用进行了优化，具有很短的拖尾电流和很小的关断损耗；因为采用了TRENCHSTOP™技术，其导通损耗也很低。因此，H3单管广泛应用于光伏、储能、UPS等领域。而1200V H7单管更近一步，表现出更优越的性能。

下图为IKW40N120H3和IKW40N120CH7的在相同条件下的双脉冲测试结果：

• 测试电压：600V

• 测试电流：20A

• 测试温度：室温25°C

• 栅极电阻：10Ω

分析双脉冲结果可见，H7系列单管具有更快的开关速度，而且其开通损耗比H3降低22.4%，关断损耗降低了34.5%，且具有更短的拖尾电流。另外，规格书显示，IKW40N120H7的Vce(sat)比IKW40N120CH3低25.9%。

由双脉冲结果可知，1200V H7单管适用于光储中的Boost、T型三电平、DCDC等高开关频率拓扑。下面以T型三电平为例，通过PLECS软件和英飞凌官网提供的PLECS模型进行仿真：

图7 仿真拓扑：T型三电平

在相同工况下，H7单管的导通损耗略低于H3，开关损耗降低接近一半，较低的总损耗会使得散热器的温度降低。但H7芯片的面积比H3小，导致的较大热阻不利于结温的降低，尽管如此，H7单管的结温仍然比H3单管低13.8°C。也就是说，可以用H7单管代替之前设计中的同电流规格H3单管，并获得更高的结温裕量。

随着1200V H7单管电流规格的增大，其芯片面积增大，热阻降低，带来更好的性能。下面使用75A规格的IKQ75N120CH7与100A规格的IKQ100N120CH7分别应用于30kW和40kW的T型三电平拓扑进行仿真。

可见，可以通过单颗大电流单管进行更高功率逆变器的设计，但是需要合理的散热来解决单颗TO247PLUS封装上高达80W的功耗。值得一提的是：对大电流的单管，降低其Rth(c-h)将获得更大的收益。因为大电流单管的Rth(c-h)占有更大比例。

1200V H7系列单管完美适用于T型三电平的竖管。通常情况下，T型三电平的直流母线在700-850V之间，竖管需要选用1200V耐压的IGBT；逆变器开关频率通常较高，同时其工作原理决定了开关损耗占比较大，所以竖管需要具有低的开关损耗；光伏逆变器要求支持±0.8的功率因数，储能逆变器要求达到-1的功率因数，1200V H7系列单管配置的全电流规格EC7 Rapid二极管可以处理这种整流工况。为了增大IGBT出电流能力，50A至140A的1200V H7单管提供TO247PLUS封装，在装载更大面积芯片的同时提供了比TO247封装具有更大的散热焊盘。

图8 TO247-3 VS TO247PLUS-3

当下，光伏逆变器降本压力增大，越来越多的光伏逆变器企业开始尝试100kW及以上逆变器的大电流单管并联解决方案。目前，英飞凌1200V H7单管的100A、120A、140A规格是其竖管的最优解决方案。通过仿真和热测试的评估发现，两并联或三并联方案配合良好的散热设计，1200V H7系列单管可以轻松实现100kW+的逆变器。

值得一提的是，对TO247PLUS-4封装的单管，由于开尔文射极的存在，驱动回路电感减小，开关速度增快；同芯片技术、同电流规格时，其开关损耗比TO247PLUS-3降低20%。这对光伏逆变器厂家冲击更高功率规格的逆变器提供巨大帮助。但增快的开关速度会增大IGBT的关断电压尖峰，需要注意功率回路杂感的优化。

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