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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。
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。
作者：Andrea Gorgerino 節(jié)能產(chǎn)品部IGBT應(yīng)用經(jīng)理 國(guó)際整流器公司 |
