絕緣柵雙極晶體管（IGBT） 是總線電壓幾百至上千伏的應用的理想之選。作為少數(shù)載流子器件，IGBT在該電壓范圍內具備優(yōu)于MOSFET的導通特性，同時擁有與MOSFET十分相似的柵極結構，能實現(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用優(yōu)化的快速“復合封裝（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二極管的反向恢復電荷Qrr和反向恢復時間trr會隨著額定電壓的升高而增大。

當然，導通效率的提高需要付出代價：IGBT通常具備相對較高的開關損耗，這可降低應用開關頻率。這二者之間的權衡以及其他應用和生產注意事項為數(shù)代IGBT以及不同的子類器件的誕生創(chuàng)造了條件。眾多的產品使得在選型時采用嚴格的流程變得十分重要，因為這可對電氣性能和成本產生重大影響。

IGBT的電壓選擇

以往用于110V至220V整流總線應用的IGBT的額定電壓為600V，而用于三相380V 至440V整流總線應用的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：

• 采用最大線路輸入電壓的最大總線電壓和最大總線過壓（例如電機驅動應用的電氣制動）
• IGBT采用最大開關速度（di/dt）、最大雜散電感和最小總線電容關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（單位：微秒）承受通過終端輸入的最大總線電壓，并能夠安全關斷。在這種條件下，IGBT將會達到其飽和電流（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都具備內在的短路安全工作區(qū)（SOA）功能，但IGBT主要歸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：這可導致與VCE（ON）實現(xiàn)平衡，如表1所示。

短路電流額定IGBT

如圖3所示，當電機驅動逆變器輸出發(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，從而使保護電路安全關斷器件。

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

在某些情況下，縮短保護電路的消隱時間是可能的，例如縮短電機直接安裝在逆變器輸出端上的集成式電機驅動器保護電路的消隱時間。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，因此其短路保護電路有充足的時間關斷這些器件。


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、太陽能和類似應用的非短路電流額定IGBT。

速度選擇：關斷行為

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

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

IGBT硬開關和軟開關波形

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

• 在IRGP4068DPBF中，IR將提供采用緩沖電容器不同值（確保零電壓開關操作）實現(xiàn)的關斷損耗
• 在IRG7I313UPBF 和 IRG7IC28UPBF中，IR將提供在零電壓開關條件下測量的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，因為這些器件無法承受該工藝帶來的高應力。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

為達到特定的應用設計目標，工程師需要對不同器件進行比較。通常比較的內容包括：能效、最大額定電流、最高溫度等參數(shù)。盡管提供Spice模型，但在預測開關損耗時，很難對參數(shù)進行關聯(lián)。鑒于這個原因，常見的方法是建立器件行為模型，利用簡單的公式計算在特定應用中的總導通和開關損耗。

對于電機驅動器而言，這種方法可用于計算作為開關頻率（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的導通損耗、開關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，因為它可提供更高的自由度。這可通過圖9內IR IGBT選型工具顯示的內容輕松看出。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。

尤其是，它提供了不同代的所有類別產品（如圖10所示），使客戶能夠選擇不同的成本/性能平衡點。平面技術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。