自 20 世紀 80 年代絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 出現以來，在功率密度、開關頻率能力、通態壓降和耐用性方面取得了巨大進步。業界對高效功率半導體的持續需求推動了 IGBT 技術的進步以及動態損耗 (E sw ) 和靜態損耗 (E cond)。在逆變器、轉換器和電源等應用中實現高功率密度一直是一項重大挑戰，也是現代 IGBT 進行優化以具有高開關頻率能力的關鍵原因。與任何其他功率半導體器件一樣，IGBT 也有局限性。開關頻率能力和通態壓降之間需要權衡。

更高的開關頻率能力會導致正向電壓增加。大多數應用受益于更高的開關頻率，以達到更高的效率和功率密度。然而，并非所有應用都需要高開關頻率。無變壓器太陽能逆變器拓撲中有許多應用，例如安全開關、燈鎮流器、電容器放電電路或電網頻率開關晶體管。對于這些應用，關鍵要求是使用具有低傳導損耗的功率半導體器件。具有低電壓降的 IGBT 最適合這些應用。使用針對更高開關頻率操作進行優化但具有更高靜態損耗的 IGBT 會降低這些應用的系統效率。

　　通過所謂的集電極工程，可以根據權衡相關性給出的物理限制將 IGBT 設計為具有開關損耗和正向壓降的組合。

圖1：開關損耗 P sw和通態壓降 VCE(sat) 之間的權衡曲線

　　滿足特定應用要求的 IGBT

　　IGBT 的通態壓降與其開關損耗相互關聯，如圖 1 所示。

　　Littelfuse 在 600 V – 1200 V 電壓范圍內提供三種不同類別的分立 IGBT。它們分為 A、B 和 C 類，經過優化可支持低、中和高開關頻率。A 級 IGBT 經過優化，具有較低的通態壓降。這些 IGBT 適用于開關頻率為 DC 至 5 kHz 的應用。同樣，B 類和 C 類 IGBT 分別針對 5 – 20 kHz 和大于 20 kHz 進行了優化。

　　Littelfuse 提供市場上最廣泛的分立 IGBT 之一，包括單一封裝和復合封裝、不同的額定電流和封裝，如圖 2 所示。

圖2

　　XPT 650 V Gen5 和 1200 V Gen4 A 級溝槽分立 IGBT 系列在分立封裝中可顯著降低通態壓降、高浪涌電流承載能力、低柵極電荷、低熱阻和高功率密度。低正向壓降對于不需要高開關頻率的應用尤其重要。高浪涌電流能力對于混合直流斷路器等保護應用非常有幫助。低柵極電荷 Q G導致柵極驅動電路的功率需求低。由于熱阻較低，與熱相關的設計挑戰更容易克服。

　　品質因數

　　圖 3 顯示了新型 1200 V A4 級 IGBT 與選定競爭對手器件相比的品質因數 (FOM)。第一個品質因數是 Q G x V CE(sat)，該 FOM 結合了低開關頻率應用中 IGBT 的兩個關鍵參數：通過對柵極充電來開啟 IGBT 所需的柵極驅動器功率以及導通量損耗取決于流過 IGBT 的集電極電流，用 VCE(sat) 表示。另一個品質因數是 R th(jc) x V CE(sat)，這個 FOM 指向另一個重要參數。在低開關頻率應用中，熱負擔主要由傳導損耗決定。R th(jc) x V CE(sat)代表 IGBT 低開關頻率工作期間產生的熱損耗的容易程度。該系數越小，就越容易從芯片中提取熱量并保持在給定的熱限制內。

圖3

　　與類似競爭對手的器件相比，1200 V、55 A、A4 IGBT 的 R th(jc) x V CE(sat)降低了 40% ，QG x V CE(sat)降低了 50%。

　　應用領域

　　自動轉換開關

　　對于醫院和機場等關鍵基礎設施，有多種能源可以防止電網故障時斷電。通常，首選交流電源是電網連接。當電網交流電源中斷時，可使用替代能源來確保關鍵負載的不間斷供電，如圖 4a 所示。這里，共發射極配置的 IGBT 用于形成雙向開關。由于這些 IGBT 連續導通，因此關鍵參數是低正向壓降，以實現低導通損耗。A 級 IGBT 最適合此應用。

　　直流負載開關

　　直流負載開關作為直流負載的保護開關。IGBT 與由直流電源供電的負載串聯。RCD 緩沖電路可用于在負載為感性負載時保護 IGBT。典型電路如圖 4b 所示。在此應用中，只要直流負載由直流電源供電，IGBT 就會導通。因此，該應用需要低傳導損耗，而 A 類 IGBT 非常適合該應用。

　　燈放電/激光發生器

　　燈放電是典型的電容器放電應用，如圖 5a 所示。一旦用戶觸發按鈕，充電電路就會對電容器“C”充電，并且控制電路控制 IGBT 的柵極驅動器。一旦觸發電路產生幾kV的電壓，燈就會發生放電。激光脈沖發生器的工作原理類似。直流母線電壓升壓，并通過升壓變壓器初級側串聯的 IGBT 控制放電，如圖 5b 所示。這些應用需要 IGBT 具有高浪涌電流能力和低傳導損耗，以節省電池能量。因此，A 類 IGBT 適合此應用。

圖4

圖5

　　混合直流斷路器

　　直流電路不僅在光伏電站中越來越受歡迎，而且在工業、船舶和數據中心應用中也越來越受歡迎。混合直流斷路器的基本工作原理包括三個并聯組件，如圖6所示。MOV、IGBT和機械開關并聯。正常工作時，電流流過機械開關。如果發生故障，IGBT 會導通，從機械開關接管負載電流。當負載電流通過 IGBT 旁路時，機械開關可以在不產生電弧的情況下打開。機械開關打開后，IGBT 可以關斷，MOV 可以防止 IGBT 和機械開關遭受過壓擊穿。

圖6

要求 IGBT 具有非常高的浪涌電流能力。通過 IGBT 的高電流會導致高傳導損耗，因此需要將產生的熱量從 IGBT 中散發出去。因此，IGBT 的低靜態損耗是有利的，并且低熱阻支持安全運行。Littelfuse 的 A 類 IGBT 非常適合此應用。

　　最佳 IGBT 性能要點

　　不同應用中的最佳性能在很大程度上取決于仔細選擇分立式IGBT，以精確匹配特定應用的要求。決策過程涉及管理通態壓降(通常稱為 V CE(sat) )和 IGBT 開關損耗之間的關鍵權衡。許多應用要求 IGBT 具有較低的 V CE(sat)，其中開關損耗不太受關注。Littelfuse 推出最新的 XPT? 650 V Gen5 和 1200 V Gen4 A 類 IGBT，這些器件專門針對低 V CE(sat)進行了優化。高浪涌電流能力、低柵極電荷 QG 和降低的熱阻Rth(jc)。

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