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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