絕緣柵雙極晶體管（IGBT） 是總線電壓幾百至上千伏的應(yīng)用的理想之選。作為少數(shù)載流子器件，IGBT在該電壓范圍內(nèi)具備優(yōu)于MOSFET的導(dǎo)通特性，同時擁有與MOSFET十分相似的柵極結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)輕松控制。此外，由于無需采用集成式反向二極管，這使制造商能夠靈活地選擇針對應(yīng)用優(yōu)化的快速“復(fù)合封裝（co-pak）”二極管 （IGBT和二極管采用同一個封裝），這與固有MOSFET二極管相反，固有MOSFET二極管的反向恢復(fù)電荷Qrr和反向恢復(fù)時間trr會隨著額定電壓的升高而增大。

當(dāng)然，導(dǎo)通效率的提高需要付出代價：IGBT通常具備相對較高的開關(guān)損耗，這可降低應(yīng)用開關(guān)頻率。這二者之間的權(quán)衡以及其他應(yīng)用和生產(chǎn)注意事項(xiàng)為數(shù)代IGBT以及不同的子類器件的誕生創(chuàng)造了條件。眾多的產(chǎn)品使得在選型時采用嚴(yán)格的流程變得十分重要，因?yàn)檫@可對電氣性能和成本產(chǎn)生重大影響。

IGBT的電壓選擇

以往用于110V至220V整流總線應(yīng)用的IGBT的額定電壓為600V，而用于三相380V 至440V整流總線應(yīng)用的IGBT的額定電壓為1200V。IR還推出數(shù)量有限的900V IGBT。近幾年來，IR為擴(kuò)大客戶的選型范圍，又推出了330V器件（通常不用于直接連接市電的應(yīng)用）。

與MOSFET不同，IGBT無雪崩額定值，因此確保在最差條件下IGBT的電壓低于擊穿電壓額定值十分重要。在這種最差條件下，通常需要考慮以下幾點(diǎn)：

• 采用最大線路輸入電壓的最大總線電壓和最大總線過壓（例如電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用的電氣制動）
• IGBT采用最大開關(guān)速度（di/dt）、最大雜散電感和最小總線電容關(guān)斷時的最大過沖電壓
• 最低的工作溫度（由于擊穿電壓具備負(fù)溫度系數(shù)）

IGBT的短路安全工作區(qū)額定值（SCSOA選擇）

這種特性指器件能夠在一定時間內(nèi)（單位：微秒）承受通過終端輸入的最大總線電壓，并能夠安全關(guān)斷。在這種條件下，IGBT將會達(dá)到其飽和電流（取決于第幾代器件和器件的電流額定值），并有效控制系統(tǒng)的電流，同時耗散大量功率。

盡管所有IGBT都具備內(nèi)在的短路安全工作區(qū)（SOA）功能，但I(xiàn)GBT主要?dú)w類為短路電流額定器件，而不是非短路電流額定器件。短路電流額定器件旨在限制飽和電流，從而限制功耗：這可導(dǎo)致與VCE（ON）實(shí)現(xiàn)平衡，如表1所示。

短路電流額定IGBT

如圖3所示，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動逆變器輸出發(fā)生短路時，需要采用這種類型器件。IGBT需要能夠承受足夠長的時間，從而使保護(hù)電路安全關(guān)斷器件。

對于大型工業(yè)驅(qū)動應(yīng)用而言，逆變器輸出端與電機(jī)之間的長電纜及其相關(guān)的寄生電容迫使設(shè)計(jì)人員增加保護(hù)電路的消隱時間，從而避免器件錯誤跳閘。這反過來會提高對IGBT的要求。業(yè)界已針對這種應(yīng)用確定了10μs的標(biāo)準(zhǔn)額定值。IR推出了一系列具備該額定值的器件。

在某些情況下，縮短保護(hù)電路的消隱時間是可能的，例如縮短電機(jī)直接安裝在逆變器輸出端上的集成式電機(jī)驅(qū)動器保護(hù)電路的消隱時間。在這種情況下，優(yōu)化器件是可能的。IR推出了一系列具備5μs至6μs短路SOA額定值的低VCE（ON）器件。

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非短路電流額定IGBT

在電源等應(yīng)用中，IGBT與輸出終端之間會裝配一個電感器。在這種情況下，輸出終端出現(xiàn)短路會使輸出電感器與直流總線實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，從而允許利用電感器控制電流的上升速度（di/dt）（如圖4所示）。在這種情況下，IGBT本身未出現(xiàn)短路，因此其短路保護(hù)電路有充足的時間關(guān)斷這些器件。


對IGBT取消這種要求，使IR能夠推出一系列具備極低VCE（ON），用于焊接、UPS、太陽能和類似應(yīng)用的非短路電流額定IGBT。

速度選擇：關(guān)斷行為

對于IGBT而言，主要的參數(shù)平衡為導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗之間的平衡，在這方面特征拖尾電流發(fā)揮了重要作用。芯片設(shè)計(jì)者可優(yōu)化這二者之間的平衡，主要取決于應(yīng)用的開關(guān)頻率：表2為4個不同速度的平衡示例。

盡管這是硬開關(guān)應(yīng)用數(shù)據(jù)表中的重要特性，但軟開關(guān)應(yīng)用也必須要更多地考慮這些特性。在這種情況下，在硬開關(guān)條件下比較兩個器件，會得出錯誤的軟開關(guān)行為結(jié)論。如圖5所示，如果通過增加緩沖電容器實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷，器件的尾電流相對于在正常硬開關(guān)應(yīng)用中，會起到更大的作用。

IGBT硬開關(guān)和軟開關(guān)波形

鑒于這個原因，在計(jì)劃用于這些條件的某些器件中，IR將開始提供在軟開關(guān)條件下的開關(guān)損耗信息：

• 在IRGP4068DPBF中，IR將提供采用緩沖電容器不同值（確保零電壓開關(guān)操作）實(shí)現(xiàn)的關(guān)斷損耗
• 在IRG7I313UPBF 和 IRG7IC28UPBF中，IR將提供在零電壓開關(guān)條件下測量的EPulse參數(shù)值。

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IGBT封裝選擇

封裝可分為通孔封裝和表面貼裝兩種形式，如圖6所示。通孔封裝具備更廣泛的選擇，適用于高電流額定值，并可實(shí)現(xiàn)高效冷卻，如RthCS額定值所示。這些額定值是基于采用隔離技術(shù)的典型裝配方法。表面貼裝器件可簡化裝配，但僅適用于低電流額定值，并且散熱性能要差很多，即使是采用熱過孔。重要的是，要注意，不能采用SMD方法裝配通孔器件，因?yàn)檫@些器件無法承受該工藝帶來的高應(yīng)力。圖6顯示的 SMD RthCS額定值是基于典型的電路板裝配條件（具備熱過孔）。

IGBT電氣和熱性能分析

為達(dá)到特定的應(yīng)用設(shè)計(jì)目標(biāo)，工程師需要對不同器件進(jìn)行比較。通常比較的內(nèi)容包括：能效、最大額定電流、最高溫度等參數(shù)。盡管提供Spice模型，但在預(yù)測開關(guān)損耗時，很難對參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。鑒于這個原因，常見的方法是建立器件行為模型，利用簡單的公式計(jì)算在特定應(yīng)用中的總導(dǎo)通和開關(guān)損耗。

對于電機(jī)驅(qū)動器而言，這種方法可用于計(jì)算作為開關(guān)頻率（具備固定的？TJS）函數(shù)的最大允許電流，如圖7所示：該圖顯示具備類似晶粒尺寸的不同代IGBT的導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗和散熱性能之間的平衡。

如圖8所示，功率因數(shù)校正應(yīng)用可采用類似的方法。

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IGBT成本分析

最后階段的成本分析是IGBT選型過程不可或缺的一部分，因?yàn)樗商峁└叩淖杂啥取＿@可通過圖9內(nèi)IR IGBT選型工具顯示的內(nèi)容輕松看出。該圖顯示了滿足輸入?yún)?shù)的多個不同器件。它們分別代表了選型流程的不同成本/性能平衡點(diǎn)。

尤其是，它提供了不同代的所有類別產(chǎn)品（如圖10所示），使客戶能夠選擇不同的成本/性能平衡點(diǎn)。平面技術(shù)可用于高成本效益的解決方案，而最新的溝槽IGBT則具備最優(yōu)的性能。