技术的优势及应用场景分析高压IGBT技术的优势及应用场景分析

近年以来，IGBT通过在低压变频器及实际中的广泛应用证明了它的可靠性。但由于它的耐压低，限制了其在大功率高电压场所的应用。在实际应用中，为了安全运转，绝缘同步开通是很必要的。所以为了取得较高的输出电压，需要串联多个低压IGBT。

新一代1200A/3300V高压IGBT模块的采用最终使建立不高于6.6kV的中压变频装置成为可能。与1600V的IGBT相比较，其饱和压降相近的情况下，有较好的短路耐量。由于栅极采用RC阻容回路，所以可以对电流和电压的变化率（di/dt和du/dt）进行调节，从而使开关损耗能够在安全工作区内找到最低值。

对于高压IGBT而言，短路电流I_SC越大，耗散损耗越大，对于1200A/3300V高压IGBT，要想得到与1600V IGBT相同的损耗，必须降低短路电流，一般在器件制作过程中通过优化高压元胞结构，例如采用GTO阳极短路结构使注入到N极区的少子电荷通过阳极短路区排出，而使IGBT短路电流快速衰减，以有效降低IGBT的关断损耗P_off。

高压IGBT栅极输入和反馈电容的变化，使其表现出不同的输入特性。在设计栅极驱动时务必加以考虑。由于栅极采用RC回路（阻容回路），故单位时间里电流和电压的变化量（di/dt和dv/dt）可以被独立地调整，从而实现在IGBT和二极管的安全工作区里使开关损耗降到最小。(www.xing528.com)

在栅极-发射极电压U_GE小于阈值电压U_th时，当器件的集电极电流I_C和集电极-发射极电压U_CE均保持不变时，其导通延迟时间t_d（on）由栅极-发射极电容C_GEI决定；当栅极-发射极电压U_GE等于阈值电压U_th时，IGBT开始导通，其电流上升速率di/dt的大小与栅极-发射极电压U_GE和器件的跨导g_fs的关系为dI_C/dt=g_fs（I_C）dU_GE/dt。其中，dU_GE/dt由器件的栅极电阻R_G和栅极-发射极电容C_GEI所决定（对于高压IGBT来说，栅极-集电极电容C_GEI可忽略不计）；当集电极电流达到最大值I_Cmax（FWD的逆向峰值电流I_RM加上负载电流I_L）时，IGBT的集电极-发射极电压U_CE开始下降。随着U_CE的下降，栅极-集电极电容C_GC迅速增大。当栅极-发射极驱动电压U_GE保持恒定时，所有的栅极电流对增长的C_GC充电。时间常数由栅极电阻和场电容C_GC决定。时间常数变大，则器件的电压变化速率dU_CE/dt变小，导通损耗变大。

普通IGBT一般采用R栅极驱动方式，而这种方式在高压IGBT中采用可能出现较高的负di/dt值，从而在杂散电感的作用下导致器件过电压；另外还会引起du/dt值的减小，引起高的开关损耗。因此，高压IGBT在栅极和发射极之间再接入附加电容C_GE，采用RC栅极驱动，这样，在栅极电阻R_G确定之后，就可通过调节外接的C_GE来设定合适的di/dt值，不会引起dU_GE/dt的改变。适当地选择RC值可使器件的开通损耗大量降低，甚至超过50%。

场电容增加，栅极-发射极电容减小，这样的IGBT若使用一般的R栅极驱动方式，将导致di/dt值的增加和du/dt值的减小。di/dt的增大导致在FWD反向恢复期间器件承受较高的电压，以及由于二极管的恢复可能出现较高的负di/dt值，从而在杂散电感的作用下导致器件过电压；而低的du/dt值将引起高的开关损耗。因而，惟有通过改变栅极电阻R_G的大小才能化解di/dt与du/dt大小的冲突。R_G的取值务必保证di/dt的调节始终处于器件的安全工作区内，但这样一来，du/dt的值就会很低，导致不能接受的开通损耗。因此，解决的方法是采用RC栅极驱动，即在IGBT的栅极和发射极之间再接入附加电容C_GE。通过该电容来调节上述开通第二过程中栅极-发射极电压和电流变化率di/dt的上升，不过C_GE对开通的第三过程没什么影响。因为没有引起dU_GE/dt的改变。dU_CE/dt升高使得器件的开通损耗减少，控制栅极电阻使FWD上的du/dt的变化值不超过其临界值。栅极电阻R_G确定之后，使器件工作在安全工作区内，就可通过调节外接的C_GE来设定合适的di/dt值。采用RC栅极驱动时，di/dt的设定值约为5kA/μs，而不同的dU_CE/dt值由不同的RC值所决定。适当地选择RC值可使器件的开通损耗大量降低，甚至超过50%。由于受高压IGBT和高压FWD的安全工作区的限制，而采用带3个无源组件（R_on、R_off和C_GE）的RC栅极驱动方式，通过调节来控制电压和关断电流斜率的变化。不同的输入和传输特性所引起的在栅极和发射极之间以及栅极和集电极之间的容抗变化率，可由采用RC栅极驱动的方案得以补偿。