制造商现已为高压直流 (HVDC) 运用开发出新的 4.5kV 绝缘栅双极晶体管 (IGBT)/ 二极管芯片组并对其功用进行了优化 。这种芯片组的特点是导通电压损耗十分低、具有大电流高电压快速注册行为和高鲁棒性的短路行为。在 IGBT 和二极管上运用 HDR 技能，能够取得高鲁棒性。4.5kV 级芯片组的呈现，是对现有 3.3kV 和 6.5kV 高压级芯片组产品的补强。该芯片组有两种不同的外壳可供挑选：
第一个芯片组选用高度绝缘 6.5kV 模块外壳，供给 10.2kV 阻隔才能，具有的爬电间隔和空隙间隔能敷衍带 2500-3000V 直流母线电压的牵引运用的恶劣环境。第二个芯片组是为 IHV-B外壳规划的，是用处广泛全球的闻名 IHV-A 模块的接班者。该模块合适在工业运用中运用，例如中压变频器和各种高压直流 (HVDC) 场合，也合适在柔性沟通输电体系 (FACTS) 运用领域运用。模块参见图 1。
图 1：4.5kV FZ1200R45HL3 模块的封装
为未来的 HVDC 体系 – 相较于众所周知的根据晶闸管的并网换相高压直流传输，这些根据 IGBT 的电压源转换器 (VSC) 将会对未来的 HVDC 体系起到重要的效果。根据 IGBT 的解决方案依赖于独立的有功电流和无功电流操控，而这种操控又是凭仗 IGBT 的导通和关断功用完成的。此外，它们在敷衍沟通电网毛病方面还体现出了优胜的功用。
在高压运用领域，需要以串联方法衔接很多的半导体，而且有必要保证高精度的同步开关。为了更好地满意如此严苛的规划要求，主张在 HVDC 和 FACTS 等高压运用中运用多电平 VSC – 模块化多电平变换器 (MMC)。在 HVDC 运用中，单个 IGBT 模块的开关频率能够下降。因而，低通态损耗关于下降总功耗的效果特别令人感兴趣。
IGBT 和二极管的结构
IGBT 沟槽技能由于单元之间的载流子累积效果、单元距离和沟道长度经过优化、而且有专为高阻断电压而规划的沟道宽度，所以通态损耗很低。因而，沟槽技能供给了一种影响单元下载流子浓度的可行方法，而且影响规模比规范平面技能的更宽。图 2 描绘的是 4.5KV IGBT/ 二极管的剖面示意图。两种设备都选用了 VLD 结构(横向掺杂)进行边际完结。这种结构与笔直 HDR 结构相结合，令开关序列期间的动态雪崩现象削减，然后赋予 IGBT 极高的关断鲁棒性，赋予二极管极高的整流鲁棒性。
图 2：适用 HDR 和 VLD 边际完结的 IGBT(左)和 EC 二极管(右)的剖面示意图
电气功用
1)静态特性
为了完成4.5KV IGBT 较低的导通状况电压，特意对众所周知的 6.5KV 器材渠道沟槽技能进行了调整。做法是选用适宜的基体资料而且选用经过调整的场截止(field stop) 和经过优化的电池规划，赋予 4.5kV 器材同类最佳的通态特性。根据 FZ1200R45HL3 模块的标称电流 1200A，取得了典型的 VCE(sat)=2.35 V@25℃，VCE(sat)=2.9V@125°C 和 VCE(sat)=3.0V@150℃。EC 二极管在电流等于标称电流 1200A 时体现出简直呈中性的温度系数，在 25°C ≤ T ≤ 150°C 的温度规模内体现出典型的正向压降而且 Vf≤2.5V。
2)动态特性
额定条件下，即 VCE=2.8kV，IC =1200A 和 T=150℃ 的开关波形如图 3 所示。在这些条件下，能够发现存在换向电感为 150 nH 的软关断行为。VCE 不超越 3.4kV。在愈加严苛的条件下，即有杂散电感更高、电流更大、作业温度低至 -40°C 时，软关断也能保证。典型的接通和反向康复波形也被描绘成图，图中能够看到十分滑润的 IF 尾部突变。
图 3：典型波长 @ 800V / 1200A， 150µH， 150°C
关断： 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
反向康复： VCE=500V/div， IC=500A/div， Rgon=1.2 W
高电压和高电流下开关
在 HVDC 运用中，保证在产生毛病时，IGBT 能在高电压、大电流条件下及时体现出快速注册行为十分重要，已对器材在超出 RBSOA 约束的此等条件下的耐用性进行了评价。
沟道宽度是 IGBT 可选用的、针对可猜测的失效事情而调整注册行为的参数。沟道宽度添加，可取得快速导通功用。但一起，沟道宽度添加，短路电流也会随之增大，所以要受短路才能的约束。因而，有必要在注册功用与短路才能之间寻求平衡，或许也能够经过增强 IGBT 的笔直结构一起满意进步注册功用和增强短路才能两个要求。
3)短路才能
为了证明 IGBT 的 1 型短路才能，对其施加 VCE=3000V、VGE=17V 和 T=125℃的严苛条件。9500A，挨近标称电流的 8 倍，被成功关断。
笔直的 IGBT 结构经过优化，延伸短路时刻下限直至器材失效。图 4 显现了一个短路波形。短路事情能够由 IGBT 模块 FZ1200R45HL3 来处理，即便在 10μs 的短路持续时刻之后，该设备仍然能够供给牢靠关断。
图 4：短路波形 @ 3000V， 125°C， VGE=17 V (VCE=500V/div， IC=1.3kA/div， VGE=10V/div)
4)IGBT 和二极管的鲁棒性
在高压直流运用以及牵引运用中， IGBT 和二极管能够凭仗其具有的高过流关断才能进步体系的牢靠性。
选用 HDR 概念后，完结体系对 IGBT 的鲁棒性的影响能够忽略不计。只要单元规划会构成约束要素。沟槽结构容许进一步下降 IGBT 的源极长度。由于电流密度与源极长度成反比地削减，所以沟槽 IGBT 的闭锁免疫力得到了有效地改进，而且取得优异的关断耐用性，具体体现在能开关 比标称电流高 4 倍的电流而不导致电流或电压信号产生严峻振动。
除了低通态电压外，新的 4.5kV EC 二极管还体现出低动态功耗和十分高的鲁棒性。现已在 Pmax≥4MW 条件下对 200A 标称电流模块进行了二极管康复测验，测验成果证明二极管没有损坏。
5)浪涌电流才能
产生输电线路短路等毛病时，在二极管作业期间或许遭遇到高浪涌电流等失效条件。因而，接受高浪涌电流的才能是调查模块可用性的一个重要规范。可经过优化笔直规划下降 VF 而且运用 HDR 概念，取得满足的抗浪涌电流才能。一个 %&&&&&% =1200A 的模块，典型的 IFSM 值可到达 10kA 左右，相当于 125°C 下 I2t 等于 500 kA2s，150℃下 I2t 等于大约 500 kA2s。
6)世界辐射的鲁棒性
4.5kV IGBT 和发射极操控二极管的规划决议了它们相对世界辐射具有较强的鲁棒性。笔直器材结构在典型的直流母线电压下体现出低电场强度。已测明 FZ1200R45HL3 模块在 ~3kV 直流母线电压下的典型失功率 (FIT)，即 109 小时运转时刻内的失效数为 100 FIT。除了阻断直流母线电压期间的安稳状况以外，开关运转下的世界辐射鲁棒性也被考虑到了。模拟实验证明，dV/dt≤ 2kV/μs 情况下的额定动态 FIT 率能够忽略不计，由于器材内部电场有限。
总结
新近推出的 4.5KV 沟槽场截止 IGBT 和发射极操控 EC 二极管专为工业运用而规划，选用 IHV-B 封装者特别合适用于高压直流运用场合。该 IGBT 和二极管具有十分低的通态电压和快速敞开 IGBT 开关的行为，特别合适在超出规范的条件下的高电压大电流环境下运用。一起，FZ1200R45HL3 模块还显现出了优异的短路功用。此外，过流关断实验也证明了 IGBT 和二极管超卓的鲁棒性。新器材的最高规划作业温度为 150℃。这些功用都是经过运用 HDR 技能调整沟槽单元规划以及 6.5kV IGBT 的笔直结构来完成的。
