IGBT選型需要注意諸多事項(xiàng)

　　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(shí)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(wú)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(duì)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(gè)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(shí)間trr會(huì)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(jià)：IGBT通常具備相對(duì)較高的開(kāi)關(guān)損耗，這可降低應(yīng)用開(kāi)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(lèi)器件的誕生創(chuàng)造了條件。眾多的產(chǎn)品使得在選型時(shí)采用嚴(yán)格的流程變得十分重要，因?yàn)檫@可對(duì)電氣性能和成本產(chǎn)生重大影響。

　　從用戶(hù)角度而言，IGBT選型過(guò)程可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化，如圖1所示。由于該過(guò)程具備重復(fù)屬性，因此十分適合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。國(guó)際整流器公司現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出一個(gè)實(shí)用的在線選型工具，如圖2所示。這個(gè)工具包含IR公司200多種IGBT器件的電氣模型和熱模型。

　　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(lái)，IR為擴(kuò)大客戶(hù)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(wú)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(guò)壓（例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的電氣制動(dòng)）

　　* IGBT采用最大開(kāi)關(guān)速度（di/dt）、最大雜散電感和最小總線電容關(guān)斷時(shí)的最大過(guò)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)）

　　短路安全工作區(qū)額定值

　　這種特性指器件能夠在一定時(shí)間內(nèi)（單位：微秒）承受通過(guò)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(huì)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(shí)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(lèi)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(dòng)逆變器輸出發(fā)生短路時(shí)，需要采用這種類(lèi)型器件。IGBT需要能夠承受足夠長(zhǎng)的時(shí)間，從而使保護(hù)電路安全關(guān)斷器件。

　　對(duì)于大型工業(yè)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用而言，逆變器輸出端與電機(jī)之間的長(zhǎng)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(shí)間，從而避免器件錯(cuò)誤跳閘。這反過(guò)來(lái)會(huì)提高對(duì)IGBT的要求。業(yè)界已針對(duì)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(shí)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(dòng)器保護(hù)電路的消隱時(shí)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。

　　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(huì)裝配一個(gè)電感器。在這種情況下，輸出終端出現(xiàn)短路會(huì)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(shí)間關(guān)斷這些器件。

　　對(duì)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(yáng)能和類(lèi)似應(yīng)用的非短路電流額定IGBT。

　　速度選擇：關(guān)斷行為

　　對(duì)于IGBT而言，主要的參數(shù)平衡為導(dǎo)通損耗與開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率：表2為4個(gè)不同速度的平衡示例。

　　盡管這是硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用數(shù)據(jù)表中的重要特性，但軟開(kāi)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(kāi)關(guān)條件下比較兩個(gè)器件，會(huì)得出錯(cuò)誤的軟開(kāi)關(guān)行為結(jié)論。如圖5所示，如果通過(guò)增加緩沖電容器實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷，器件的尾電流相對(duì)于在正常硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，會(huì)起到更大的作用。

　　鑒于這個(gè)原因，在計(jì)劃用于這些條件的某些器件中，IR將開(kāi)始提供在軟開(kāi)關(guān)條件下的開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)條件下測(cè)量的EPulse參數(shù)值。

　　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(jiǎn)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(guò)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(wú)法承受該工藝帶來(lái)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(guò)孔）。

　　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(duì)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(cè)開(kāi)關(guān)損耗時(shí)，很難對(duì)參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。鑒于這個(gè)原因，常見(jiàn)的方法是建立器件行為模型，利用簡(jiǎn)單的公式計(jì)算在特定應(yīng)用中的總導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗。

　　對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器而言，這種方法可用于計(jì)算作為開(kāi)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(lèi)似晶粒尺寸的不同代IGBT的導(dǎo)通損耗、開(kāi)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(lèi)似的方法。

　　成本分析

　　最后階段的成本分析是IGBT選型過(guò)程不可或缺的一部分，因?yàn)樗商峁└叩淖杂啥取＿@可通過(guò)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(mǎn)足輸入?yún)?shù)的多個(gè)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(lèi)別產(chǎn)品（如圖10所示），使客戶(hù)能夠選擇不同的成本/性能平衡點(diǎn)。平面技術(shù)可用于