IGBT选型需要注意诸多事项

　　绝缘栅双极晶体管（IGBT） 是总线电压几百至上千伏的应用的理想之选。作为少数载流子器件，IGBT在该电压范围内具备优于MOSFET的导通特性，同时拥有与MOSFET十分相似的栅极结构，能实现轻松控制。此外，由于无需采用集成式反向二极管，这使制造商能够灵活地选择针对应用优化的快速“复合封装（co-pak）”二极管 （IGBT和二极管采用同一个封装），这与固有MOSFET二极管相反，固有MOSFET二极管的反向恢复电荷Qrr和反向恢复时间trr会随着额定电压的升高而增大。
   　　当然，导通效率的提高需要付出代价：IGBT通常具备相对较高的开关损耗，这可降低应用开关频率。这二者之间的权衡以及其他应用和生产注意事项为数代IGBT以及不同的子类器件的诞生创造了条件。众多的产品使得在选型时采用严格的流程变得十分重要，因为这可对电气性能和成本产生重大影响。
   　　从用户角度而言，IGBT选型过程可实现简化，如图1所示。由于该过程具备重复属性，因此十分适合实现自动化操作。国际整流器公司现已开发出一个实用的在线选型工具，如图2所示。这个工具包含IR公司200多种IGBT器件的电气模型和热模型。
   
   　　
   
   　　
   
   　　电压选择
   
   　　以往用于110V至220V整流总线应用的IGBT的额定电压为600V，而用于三相380V 至440V整流总线应用的IGBT的额定电压为1200V。IR还推出数量有限的900V IGBT。近几年来，IR为扩大客户的选型范围，又推出了330V器件（通常不用于直接连接市电的应用）。
   　　与MOSFET不同，IGBT无雪崩额定值，因此确保在最差条件下IGBT的电压低于击穿电压额定值十分重要。在这种最差条件下，通常需要考虑以下几点：
   　　* 采用最大线路输入电压的最大总线电压和最大总线过压（例如电机驱动应用的电气制动）
   　　* IGBT采用最大开关速度（di/dt）、最大杂散电感和最小总线电容关断时的最大过冲电压
   　　* 最低的工作温度（由于击穿电压具备负温度系数）
   
   　　短路安全工作区额定值
   
   　　这种特性指器件能够在一定时间内（单位：微秒）承受通过终端输入的最大总线电压，并能够安全关断。在这种条件下，IGBT将会达到其饱和电流（取决于第几代器件和器件的电流额定值），并有效控制系统的电流，同时耗散大量功率。
   　　尽管所有IGBT都具备内在的短路安全工作区（SOA）功能，但IGBT主要归类为短路电流额定器件，而不是非短路电流额定器件。短路电流额定器件旨在限制饱和电流，从而限制功耗：这可导致与VCE（ON）实现平衡，如表1所示。
   
   　　
   
   　　短路电流额定IGBT
   
   　　如图3所示，当电机驱动逆变器输出发生短路时，需要采用这种类型器件。IGBT需要能够承受足够长的时间，从而使保护电路安全关断器件。
   　　对于大型工业驱动应用而言，逆变器输出端与电机之间的长电缆及其相关的寄生电容迫使设计人员增加保护电路的消隐时间，从而避免器件错误跳闸。这反过来会提高对IGBT的要求。业界已针对这种应用确定了10μs的标准额定值。IR推出了一系列具备该额定值的器件。
   　　在某些情况下，缩短保护电路的消隐时间是可能的，例如缩短电机直接安装在逆变器输出端上的集成式电机驱动器保护电路的消隐时间。在这种情况下，优化器件是可能的。IR推出了一系列具备5μs至6μs短路SOA额定值的低VCE（ON）器件。
   
   　　
   
   　　非短路电流额定IGBT
   
   　　在电源等应用中，IGBT与输出终端之间会装配一个电感器。在这种情况下，输出终端出现短路会使输出电感器与直流总线实现串联，从而允许利用电感器控制电流的上升速度（di/dt）（如图4所示）。在这种情况下，IGBT本身未出现短路，因此其短路保护电路有充足的时间关断这些器件。
   
   　　
   
   　　对IGBT取消这种要求，使IR能够推出一系列具备极低VCE（ON），用于焊接、UPS、太阳能和类似应用的非短路电流额定IGBT。
   
   　　速度选择：关断行为
   
   　　对于IGBT而言，主要的参数平衡为导通损耗与开关损耗之间的平衡，在这方面特征拖尾电流发挥了重要作用。芯片设计者可优化这二者之间的平衡，主要取决于应用的开关频率：表2为4个不同速度的平衡示例。
   
   　　
   
   　　尽管这是硬开关应用数据表中的重要特性，但软开关应用也必须要更多地考虑这些特性。在这种情况下，在硬开关条件下比较两个器件，会得出错误的软开关行为结论。如图5所示，如果通过增加缓冲电容器实现软关断，器件的尾电流相对于在正常硬开关应用中，会起到更大的作用。
   
   　　
   
   　　鉴于这个原因，在计划用于这些条件的某些器件中，IR将开始提供在软开关条件下的开关损耗信息：
   　　* 在IRGP4068DPBF中，IR将提供采用缓冲电容器不同值（确保零电压开关操作）实现的关断损耗
   　　* 在IRG7I313UPBF 和 IRG7IC28UPBF中，IR将提供在零电压开关条件下测量的EPulse参数值。
   
   　　封装选择
   
   　　封装可分为通孔封装和表面贴装两种形式，如图6所示。通孔封装具备更广泛的选择，适用于高电流额定值，并可实现高效冷却，如RthCS额定值所示。这些额定值是基于采用隔离技术的典型装配方法。表面贴装器件可简化装配，但仅适用于低电流额定值，并且散热性能要差很多，即使是采用热过孔。重要的是，要注意，不能采用SMD方法装配通孔器件，因为这些器件无法承受该工艺带来的高应力。图6显示的 SMD RthCS额定值是基于典型的电路板装配条件（具备热过孔）。
   
   　　
   
   　　电气和热性能分析
   
   　　为达到特定的应用设计目标，工程师需要对不同器件进行比较。通常比较的内容包括：能效、最大额定电流、最高温度等参数。尽管提供Spice模型，但在预测开关损耗时，很难对参数进行关联。鉴于这个原因，常见的方法是建立器件行为模型，利用简单的公式计算在特定应用中的总导通和开关损耗。
   　　对于电机驱动器而言，这种方法可用于计算作为开关频率（具备固定的？TJS）函数的最大允许电流，如图7所示：该图显示具备类似晶粒尺寸的不同代IGBT的导通损耗、开关损耗和散热性能之间的平衡。
   
   　　
   
   　　如图8所示，功率因数校正应用可采用类似的方法。
   
   　　
   
   　　成本分析
   
   　　最后阶段的成本分析是IGBT选型过程不可或缺的一部分，因为它可提供更高的自由度。这可通过图9内IR IGBT选型工具显示的内容轻松看出。该图显示了满足输入参数的多个不同器件。它们分别代表了选型流程的不同成本/性能平衡点。
   
   　　
   
   　　尤其是，它提供了不同代的所有类别产品（如图10所示），使客户能够选择不同的成本/性能平衡点。平面技术可用于高成本效益的解决方案，而最新的沟槽IGBT则具备最优的性能。