1 引言
随着变频市场的逐步发展，igbt需要不断地更新换代，以适应市场对更高功率密度、更大容量、更小封装体积模块的需求，这是一种大趋势。德国优派克(eupec)公司最新推出igbt3模块，在同样封装体积时，其电流密度增加了50％，同样额定电流下，其体积更小、功率密度更高。
2 新技术介绍- igbt3
优派克igbt3技术，是在原来npt技术基础上发展起来的最新一代—场终止(field-stop)技术，所谓沟槽栅npt，它能更好地协调igbt的稳定性、开关损耗和导通损耗之间的关系，既具有平板珊的稳定性同时也具有沟槽珊的低饱和压降(vcesat)的特点;稳定性加强了，模块工作起来就更可靠，故障率大大下降;而饱和压降的降低更使模块的动态损耗得以减少，发热量更少，从而使模块的寿命更长，系统的保护回路也得以简化;而最大获益的是，igbt3晶片所能承受的最高结温为175℃，比原来npt晶片超出25℃，这是一种技术的新突破，它使得igbt模块在过热保护设计中更加容易，裕量更大，运行更加安全可靠。
3 故障分析与igbt3的特性
从使用的经验来看，igbt出现故障归结有以下3大原因:过热、过压、过流。
3.1 过热
一般指使用中igbt模块的结温tj超过晶片的最大温度限定;截至目前市场上流通的都还是以tjmax=150℃的npt技术igbt 模块为主流，优派克igbt3模块的出现，其最大结温tjmax=175℃，无疑将大大减少行业中igbt模块由于温度问题所带来的故障率，也相对降低了系统对散热器、热回路设计的要求。
3.2 过压
可分为集射过压、栅射过压、高dv/dt所致过压等几类，大多数的过压保护用户一般都比较重视，保护电路设计的也比较到位，但是对于由高dv/dt所致的过压故障，用户基本上都只采用无感电容或者rcd结构吸收而已，重视不够;可能有不少用户碰到过类似下面情况，就是有些应用，在igbt出现故障前，什么征兆都没有，莫名其妙就坏了，换模块之后问题解决，就是找不到原因，老怀疑模块质量问题，其实这里头，关断瞬间过高的dv/dt导致过压所占的比例不小，吸收不够，而简单又有效的保护方法就是采用电压嵌位，往往在集-珊两端并接齐纳二极管(推荐使用美国diodes公司的1.5kexxa产品系列)，采用门极电压动态控制，当集电极电压瞬间超过齐纳二极管的嵌位电压时，超出的电压将叠加在门极上(米勒效应起作用)，避免了igbt因受集射过压而损坏。结构如图1所示。
图1 集-栅端动态嵌位结构 
图2 不同驱动电阻对di/dt 的影响
采用门极电压动态控制可以解决由于过高的dv/dt带来的集电极发射极瞬间过压问题，但是它的弊端，就是当igbt处于感性负载运行时，半桥结构中处于关断的igbt，由于其反并联二极管(续流二极管)的恢复，使得其集射两端的电压急剧上升，承受瞬间很高的dv/dt, 多数情况下该dv/dt值要比igbt正常关断时的集射电压上升率高，由于米勒电容(cres)的存在，该dv/dt值将在集电极和栅极之间产生一个瞬间电流，流向栅极驱动电路，该电流与栅极电路的阻抗相互作用，直接导致栅射极电压vge值的升高，甚至超过igbt的开通门限电压vgeth值，出现恶劣的情况就是使igbt被误触发导通，导致桥臂短路。优派克igbt3模块的另一大优点就是其门限电压vgeth最小值(5v)比原来的npt模块(现在普遍使用的dlc后缀模块vgeth值为4.5v)的要高，其抵抗由于米勒效应引起的误触发短路故障能力更强，这样，由于开通门限更高，igbt3模块具有更强的抗干扰能力，可以更多的减少由于误触发所导致的直通短路故障的发生。
3.3 过流
主要分三种:
(1) 长时间过流运行
模块长时间过流运行是指igbt的运行指标达到或超出rbsoa(反偏安全工作区)所限定的电流安全边界(如选型失误，安全系数偏小等)，出现这种情况时电路必须能在电流到达rbsoa限定边界前立即关断器件，才能达到保护器件的目的;
(2) 短路超时(>10μs)
短路超时(>10μs)是指igbt 的所承受的电流值达到或超出scsoa (短路安全工作区)所限定的最大边界，比如4~5倍额定电流时，必须在10μs之内关断igbt，如果此时igbt所承受的最大电压也超过器件标称值的话，则igbt必须在更短时间内被关断;
(3) 过高di/dt
过高di/dt引起的器件故障，其实也属于过压范围;很高的di/dt 值与线路分布电感的乘积，导致瞬间过压。这种情况可以根据不同的功率模块，选用不同的snubber 吸收回路结构(推荐美国cde吸收电容系列)。优派克igbt3模块的另一大优点是当集电极电流达到某一异常值时，igbt能够自我限定，而某一异常值的大小则由器件的温度和门射电压所共同决定的，由于具有自我限定能力，使得igbt3模块对吸收保护的依靠减弱，甚至可以免掉吸收电路。
4 igbt3的效率和可靠性分析
igbt3的出现，不仅提高了igbt的工作效率，更为重要的是，它使得沟槽栅晶片具有与平板栅晶片相同的可靠性。通过对igbt3模块的检测，表明了其具有在两倍的标称电流值时，在常规的rbsoa规定之内，其能承受的电压可为标称的集射电压，甚至是在3倍的标称电流值时，器件仍可很好的工作，这是对igbt3具有更好的rbsoa工作区域的例证。
图3 不同驱动电阻对du/dt 的影响 
图4 di/dt 对开通损耗的影响
一般地，当igbt关断时，为减少关断电压的上升尖峰，关断电阻值应设定为开通电阻的10倍，这样有利于保证igbt不至于在关断瞬间因过压而击穿(实验证明，有关断电阻时，门极的电压尖峰比没有关断电阻时小很多，避免误触发的安全性更高)。测试时vce值甚至达到800v，关断瞬间达到1200v，igbt也安然无恙。另外，门射嵌位设置与标准型的igbt一样。
测试结果表明，fs-igbt(场终止技术-igbt3)具有优越的性能，加上沟槽栅工艺本身所具有的低饱和压降(结温125℃时，低于2v，而pt/npt工艺的均大于2v)，与平板栅相对比具有20%的效率提升。另外，由于igbt3制造工艺是以npt技术为基础的，因此与npt晶片一样，也具有正温度系数，容易实现并联使用。因此，更精、更强、更优的igbt3，能更充分地满足变频市场发展的需求。可以相信，在变频市场上取代igbt2(npt)、igbt1(pt)是一种必然，一种大趋势。图2～图6为igbt1(pt)、igbt2(npt)、igbt3(trench-fs)不同晶片技术 igbt的动态特性比较曲线，附表为trench-fs igbt(ke3后缀)与npt igbt(dlc后缀)具体型号的参数对比实例。用图表比较，优势很直接明显(r线表示igbt3)。
图5 du/dt 对关断损耗的影响
图6 三代igbt总损耗比较
由于igbt3的出现，使得高功率密度模块的制造容易实现，进一步推动小体积、高功率密度的各种变换器的出现。另外，对附加保护电路依赖的削弱，将使igbt3更有利于模块的使用和系统的小型化，更多的减少系统潜在的故障点。图8是eupec采用igbt3晶片生产的igbt模块(以ke3后缀区分)新系列，目前1200v系列中，6单元最大电流可达450a，两单元可达1350a。
由图7可以看出，fs-igbt3(图左)比npt-igbt(图右)的拖尾电流小很多，因此其关断损耗更小，频率可以做得更高。
图7 fs-igbt3 与目前npt-igbt 关断特性比较 
