絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 是總線(xiàn)電壓幾百至上千伏的應用的理想之選。作為少數載流子器件，IGBT在該電壓范圍內具備優(yōu)于MOSFET的導通特性，同時(shí)擁有與MOSFET十分相似的柵極結構，能實(shí)現輕松控制。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(gè)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(shí)間trr會(huì )隨著(zhù)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(jià)：IGBT通常具備相對較高的開(kāi)關(guān)損耗，這可降低應用開(kāi)關(guān)頻率。這二者之間的權衡以及其他應用和生產(chǎn)注意事項為數代IGBT以及不同的子類(lèi)器件的誕生創(chuàng )造了條件。眾多的產(chǎn)品使得在選型時(shí)采用嚴格的流程變得十分重要，因為這可對電氣性能和成本產(chǎn)生重大影響。
從用戶(hù)角度而言，IGBT選型過(guò)程可實(shí)現簡(jiǎn)化，如圖1所示。由于該過(guò)程具備重復屬性，因此十分適合實(shí)現自動(dòng)化操作。國際整流器公司現已開(kāi)發(fā)出一個(gè)實(shí)用的在線(xiàn)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(xiàn)應用的IGBT的額定電壓為600V，而用于三相380V 至440V整流總線(xiàn)應用的IGBT的額定電壓為1200V。IR還推出數量有限的900V IGBT。近幾年來(lái)，IR為擴大客戶(hù)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(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(xiàn)路輸入電壓的最大總線(xiàn)電壓和最大總線(xiàn)過(guò)壓(例如電機驅動(dòng)應用的電氣制動(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(xiàn)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溫度系數)
短路安全工作區額定值
這種特性指器件能夠在一定時(shí)間內(單位：微秒)承受通過(guò)終端輸入的最大總線(xiàn)電壓，并能夠安全關(guān)斷。在這種條件下，IGBT將會(huì )達到其飽和電流(取決于第幾代器件和器件的電流額定值)，并有效控制系統的電流，同時(shí)耗散大量功率。
盡管所有IGBT都具備內在的短路安全工作區(SOA)功能，但IGBT主要歸類(lèi)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(shí)現平衡，如表1所示。
短路電流額定IGBT
如圖3所示，當電機驅動(dòng)逆變器輸出發(fā)生短路時(shí)，需要采用這種類(lèi)型器件。IGBT需要能夠承受足夠長(cháng)的時(shí)間，從而使保護電路安全關(guān)斷器件。
對于大型工業(yè)驅動(dòng)應用而言，逆變器輸出端與電機之間的長(cháng)電纜及其相關(guān)的寄生電容迫使設計人員增加保護電路的消隱時(shí)間，從而避免器件錯誤跳閘。這反過(guò)來(lái)會(huì )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(shí)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(dòng)器保護電路的消隱時(shí)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。
非短路電流額定IGBT
在電源等應用中，IGBT與輸出終端之間會(huì )裝配一個(gè)電感器。在這種情況下，輸出終端出現短路會(huì )使輸出電感器與直流總線(xiàn)實(shí)現串聯(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本身未出現短路，因此其短路保護電路有充足的時(shí)間關(guān)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(yáng)能和類(lèi)似應用的非短路電流額定IGBT。
速度選擇：關(guān)斷行為
對于IGBT而言，主要的參數平衡為導通損耗與開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)頻率：表2為4個(gè)不同速度的平衡示例。
盡管這是硬開(kāi)關(guān)應用數據表中的重要特性，但軟開(kāi)關(guān)應用也必須要更多地考慮這些特性。在這種情況下，在硬開(kāi)關(guān)條件下比較兩個(gè)器件，會(huì )得出錯誤的軟開(kāi)關(guān)行為結論。如圖5所示，如果通過(guò)增加緩沖電容器實(shí)現軟關(guān)斷，器件的尾電流相對于在正常硬開(kāi)關(guān)應用中，會(huì )起到更大的作用。
鑒于這個(gè)原因，在計劃用于這些條件的某些器件中，IR將開(kāi)始提供在軟開(kāi)關(guān)條件下的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)操作)實(shí)現的關(guān)斷損耗
* 在IRG7I313UPBF 和 IRG7IC28UPBF中，IR將提供在零電壓開(kāi)關(guān)條件下測量的EPulse參數值。
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(shí)現高效冷卻，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，因為這些器件無(wú)法承受該工藝帶來(lái)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(guò)孔)。
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(jìn)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。盡管提供Spice模型，但在預測開(kāi)關(guān)損耗時(shí)，很難對參數進(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)單的公式計算在特定應用中的總導通和開(kāi)關(guān)損耗。
對于電機驅動(dòng)器而言，這種方法可用于計算作為開(kāi)關(guān)頻率(具備固定的?TJS)函數的最大允許電流，如圖7所示：該圖顯示具備類(lèi)似晶粒尺寸的不同代IGBT的導通損耗、開(kāi)關(guān)損耗和散熱性能之間的平衡。
如圖8所示，功率因數校正應用可采用類(lèi)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，因為它可提供更高的自由度。這可通過(guò)圖9內IR IGBT選型工具顯示的內容輕松看出。該圖顯示了滿(mǎn)足輸入參數的多個(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(lèi)別產(chǎn)品(如圖10所示)，使客戶(hù)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。
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