自 20 世纪 80 年代绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 出现以来，在功率密度、开关频率能力、通态压降和耐用性方面取得了巨大进步。业界对高效功率半导体的持续需求推动了 IGBT 技术的进步以及动态损耗 (E sw ) 和静态损耗 (E cond)。在逆变器、转换器和电源等应用中实现高功率密度一直是一项重大挑战，也是现代 IGBT 进行优化以具有高开关频率能力的关键原因。与任何其他功率半导体器件一样，IGBT 也有局限性。开关频率能力和通态压降之间需要权衡。

更高的开关频率能力会导致正向电压增加。大多数应用受益于更高的开关频率，以达到更高的效率和功率密度。然而，并非所有应用都需要高开关频率。无变压器太阳能逆变器拓扑中有许多应用，例如安全开关、灯镇流器、电容器放电电路或电网频率开关晶体管。对于这些应用，关键要求是使用具有低传导损耗的功率半导体器件。具有低电压降的 IGBT 最适合这些应用。使用针对更高开关频率操作进行优化但具有更高静态损耗的 IGBT 会降低这些应用的系统效率。

　　通过所谓的集电极工程，可以根据权衡相关性给出的物理限制将 IGBT 设计为具有开关损耗和正向压降的组合。

图1：开关损耗 P sw和通态压降 VCE(sat) 之间的权衡曲线

　　满足特定应用要求的 IGBT

　　IGBT 的通态压降与其开关损耗相互关联，如图 1 所示。

　　Littelfuse 在 600 V – 1200 V 电压范围内提供三种不同类别的分立 IGBT。它们分为 A、B 和 C 类，经过优化可支持低、中和高开关频率。A 级 IGBT 经过优化，具有较低的通态压降。这些 IGBT 适用于开关频率为 DC 至 5 kHz 的应用。同样，B 类和 C 类 IGBT 分别针对 5 – 20 kHz 和大于 20 kHz 进行了优化。

　　Littelfuse 提供市场上最广泛的分立 IGBT 之一，包括单一封装和复合封装、不同的额定电流和封装，如图 2 所示。

图2

　　XPT 650 V Gen5 和 1200 V Gen4 A 级沟槽分立 IGBT 系列在分立封装中可显着降低通态压降、高浪涌电流承载能力、低栅极电荷、低热阻和高功率密度。低正向压降对于不需要高开关频率的应用尤其重要。高浪涌电流能力对于混合直流断路器等保护应用非常有帮助。低栅极电荷 Q G导致栅极驱动电路的功率需求低。由于热阻较低，与热相关的设计挑战更容易克服。

　　品质因数

　　图 3 显示了新型 1200 V A4 级 IGBT 与选定竞争对手器件相比的品质因数 (FOM)。第一个品质因数是 Q G x V CE(sat)，该 FOM 结合了低开关频率应用中 IGBT 的两个关键参数：通过对栅极充电来开启 IGBT 所需的栅极驱动器功率以及导通量损耗取决于流过 IGBT 的集电极电流，用 VCE(sat) 表示。另一个品质因数是 R th(jc) x V CE(sat)，这个 FOM 指向另一个重要参数。在低开关频率应用中，热负担主要由传导损耗决定。R th(jc) x V CE(sat)代表 IGBT 低开关频率工作期间产生的热损耗的容易程度。该系数越小，就越容易从芯片中提取热量并保持在给定的热限制内。

图3

　　与类似竞争对手的器件相比，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%。

　　应用领域

　　自动转换开关

　　对于医院和机场等关键基础设施，有多种能源可以防止电网故障时断电。通常，首选交流电源是电网连接。当电网交流电源中断时，可使用替代能源来确保关键负载的不间断供电，如图 4a 所示。这里，共发射极配置的 IGBT 用于形成双向开关。由于这些 IGBT 连续导通，因此关键参数是低正向压降，以实现低导通损耗。A 级 IGBT 最适合此应用。

　　直流负载开关

　　直流负载开关作为直流负载的保护开关。IGBT 与由直流电源供电的负载串联。RCD 缓冲电路可用于在负载为感性负载时保护 IGBT。典型电路如图 4b 所示。在此应用中，只要直流负载由直流电源供电，IGBT 就会导通。因此，该应用需要低传导损耗，而 A 类 IGBT 非常适合该应用。

　　灯放电/激光发生器

　　灯放电是典型的电容器放电应用，如图 5a 所示。一旦用户触发按钮，充电电路就会对电容器“C”充电，并且控制电路控制 IGBT 的栅极驱动器。一旦触发电路产生几kV的电压，灯就会发生放电。激光脉冲发生器的工作原理类似。直流母线电压升压，并通过升压变压器初级侧串联的 IGBT 控制放电，如图 5b 所示。这些应用需要 IGBT 具有高浪涌电流能力和低传导损耗，以节省电池能量。因此，A 类 IGBT 适合此应用。

图4

图5

　　混合直流断路器

　　直流电路不仅在光伏电站中越来越受欢迎，而且在工业、船舶和数据中心应用中也越来越受欢迎。混合直流断路器的基本工作原理包括三个并联组件，如图6所示。MOV、IGBT和机械开关并联。正常工作时，电流流过机械开关。如果发生故障，IGBT 会导通，从机械开关接管负载电流。当负载电流通过 IGBT 旁路时，机械开关可以在不产生电弧的情况下打开。机械开关打开后，IGBT 可以关断，MOV 可以防止 IGBT 和机械开关遭受过压击穿。

图6

要求 IGBT 具有非常高的浪涌电流能力。通过 IGBT 的高电流会导致高传导损耗，因此需要将产生的热量从 IGBT 中散发出去。因此，IGBT 的低静态损耗是有利的，并且低热阻支持安全运行。Littelfuse 的 A 类 IGBT 非常适合此应用。

　　最佳 IGBT 性能要点

　　不同应用中的最佳性能在很大程度上取决于仔细选择分立式IGBT，以精确匹配特定应用的要求。决策过程涉及管理通态压降(通常称为 V CE(sat) )和 IGBT 开关损耗之间的关键权衡。许多应用要求 IGBT 具有较低的 V CE(sat)，其中开关损耗不太受关注。Littelfuse 推出最新的 XPT™ 650 V Gen5 和 1200 V Gen4 A 类 IGBT，这些器件专门针对低 V CE(sat)进行了优化。高浪涌电流能力、低栅极电荷 QG 和降低的热阻Rth(jc)。

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