IGBT適用于ZVS 還是 ZCS？

提到軟開關(guān)技術(shù)，大家耳熟能詳?shù)挠辛汶妷洪_通ZVS（Zero voltage switching） 和零電流關(guān)斷ZCS（Zero current switching），同時，尤其是在現(xiàn)在的電源產(chǎn)品中，絕大多數(shù)的采用軟開關(guān)拓?fù)涞碾娫串a(chǎn)品都選擇了ZVS，而不是ZCS，所以，Si MOSFET和SiC MOSFET一直是很多同學(xué)提到ZVS時想到的主要功率器件搭檔，而不是IGBT。

今天我就來嘮一嘮IGBT在軟開關(guān)拓?fù)渲械膽?yīng)用，IGBT是否能用于ZVS以及IGBT是否更適用于ZCS。

長期以來，IGBT給人的印象就如農(nóng)家樸實低調(diào)的老大哥，少有拋頭露臉，而MOSFET則宛如古靈精怪的小妹，處處都能見到。不過這也不足為怪，結(jié)合IGBT技術(shù)的升級迭代發(fā)展史（可以參考文章“英飛凌IGBT芯片簡史”），從史前時代的穿通（NPT）型IGBT，到初代盟主非穿通（NPT）型IGBT，最為人詬病的就是其拖尾電流，如圖一，作為雙極性器件，IGBT關(guān)斷時IGBT少子復(fù)合會產(chǎn)生拖尾電流，而且拖尾電流持續(xù)時間可以達(dá)到us級，而此時CE電端電壓已經(jīng)上升到額定工作電壓，導(dǎo)致IGBT的關(guān)斷損耗比較大，所以，為了降低IGBT的關(guān)斷損耗，通常建議IGBT采用零電流關(guān)斷ZCS，這樣IGBT的關(guān)斷損耗近似零，所以，在這個歷史時間點，這個建議是沒毛病的。

圖一  IGBT的拖尾電流

但是，IGBT技術(shù)也一直在進(jìn)步，溝槽柵-場終止（Trench  FS）型IGBT的出現(xiàn)，從平面柵變?yōu)闇喜蹡牛黾恿穗妶鼋K止層，保持了IGBT載流子濃度均勻分布，如圖二，盡可能的降低了通態(tài)損耗，同時，關(guān)斷時形成拖尾電流的載流子數(shù)量也越來越少，甚至幾乎沒有拖尾電流，持續(xù)時間也僅為ns級，表現(xiàn)出硬關(guān)斷（snappy turn-off）特性，也就是說IGBT的關(guān)斷損耗中拖尾電流導(dǎo)致的損耗占比也急劇降低。

圖二 不同IGBT技術(shù)中載流子濃度分配

至此，可以肯定的講，IGBT也是可以用于ZVS的，而且還得到了廣泛應(yīng)用。2006年，Pavlovsky在IEEE發(fā)表了一篇論文[1]，在一臺50KW的測試平臺上，得到了IGBT在ZVS，準(zhǔn)ZCS條件下的損耗以及效率，最高效率達(dá)到了97%。

圖三  50 KW test ZVS, Quasi-ZCS converter

以大家熟知的感應(yīng)加熱應(yīng)用為例，比如電磁爐，無論是單端的拓?fù)溥€是半橋拓?fù)?，都采用了ZVS的軟開關(guān)控制，從圖六的IGBT驅(qū)動電壓VGE, 集電極-發(fā)射極電壓VCE以及電流ICE波形可以明確的看到，在VGE變?yōu)楦唠娖街?，VCE已經(jīng)提前降低到IGBT的體二極管正向?qū)▔航?，這是典型的零電壓開通ZVS，并且IGBT開通之前，ICE電流是反向的，這都是開關(guān)管實現(xiàn)ZVS的必要條件。

作為功率半導(dǎo)體行業(yè)的重要一員，英飛凌的可以用于感應(yīng)加熱的明星IGBT型號有IHW20N135R5 (單端)，和IHW40N65R6（半橋），英飛凌官網(wǎng)上也有一塊半橋拓?fù)涞母袘?yīng)加熱評估板，EVAL-IHW65R62EDS06J，感興趣的同學(xué)可以去溜達(dá)看看。

圖四 電磁爐典型應(yīng)用場景

圖五 單端電磁爐拓?fù)洌ú⒙?lián)諧振）

圖六 單端電磁爐IGBT的VGE 、VCE 、ICE

（并聯(lián)諧振）

圖七 英飛凌感應(yīng)加熱評估板

EVAL-IHW65R62EDS06J

圖八 半橋感應(yīng)加熱評估板IGBT的

當(dāng)然，IGBT能應(yīng)用的ZVS拓?fù)湓趺茨苌俚牧薒LC呢，IGBT不光可以用于LLC拓?fù)?，還同樣能實現(xiàn)大功率的輸出，各位可以找找2021年中車時代電氣工程師張小勇發(fā)表的論文[2]，“LLC諧振變換器中IGBT的死區(qū)時間分析及優(yōu)化設(shè)計”，采用IGBT搭建了60KW的LLC變換器，如圖九和圖十，解決了IGBT輸出電容的非線性變化導(dǎo)致的死區(qū)時間設(shè)置困難的問題，有助于推動LLC諧振軟開關(guān)技術(shù)在大功率變流器中實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

圖九 LLC拓?fù)?/p>

圖十 LLC變換器穩(wěn)態(tài)工作波形

另外，也有聲音說，IGBT的開通、關(guān)斷太慢，只適合低頻比如20kHz左右的開關(guān)頻率，各位，如果真那么想，你就out了，英飛凌的第5代IGBT甚至可以支持高達(dá)100kHz的開關(guān)頻率，比如IKW40N65F5，欲知詳情，請點擊文末“閱讀原文”登陸英飛凌官網(wǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]. M. Pavlovsky;S.W.H. de Haan;J.A. Ferreira,“Evaluation_of_IGBT_modules_and_their_suitability_for_ZVS_quasi-ZCS_converter_topologies”Twenty-First Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2006. APEC '06.

[2]. 張小勇， 張慶， 饒沛南， 等，LLC諧振變換器中IGBT的死區(qū)時間分析及優(yōu)化設(shè)計[J]，機車電傳動，2021,3:113-117.

來源：英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體

原創(chuàng)：伍堂順，王丹