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。

　　

　　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。

　　

　　作者：Andrea Gorgerino
　　节能产品部IGBT应用经理
　　国际整流器公司