英飛凌通過改善IGBT芯片的結(jié)構(gòu)和工藝，大大降低了器件的開關(guān)損耗。下圖展示了不同技術(shù)的分立50A IGBT的開關(guān)損耗的比較。圖的底部顯示了IGBT和二極管技術(shù)，以及它們進(jìn)入市場的年份。圖中的開關(guān)損耗是在一個(gè)開關(guān)單元中測量的，并使用具有相同額定電流的器件作為對(duì)照。
芯片關(guān)斷損耗大幅下降，器件開通損耗下降舉步維艱
仔細(xì)讀上圖可以發(fā)現(xiàn)，最新的系列中，IGBT的關(guān)斷能量降低非常明顯。這是通過減少關(guān)斷期間電流的下降時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的，從而幾乎可以完全消除了尾部電流。
另一方面，開通能量實(shí)際上沒有明顯減小。主要原因之一是，IGBT的開通在很大程度上取決于對(duì)應(yīng)的續(xù)流二極管和其反向恢復(fù)電荷量。實(shí)際上，當(dāng)二極管與更快的IGBT結(jié)合在一起時(shí)，恢復(fù)電荷量往往會(huì)增加，從而增加了開關(guān)的開通損耗。
減低開通損耗，從封裝入手
為了大大減少開通損耗，英飛凌為TRENCHSTOP™ 5系列的器件引入了TO-247 4pin封裝。這種封裝多了一個(gè)額外的發(fā)射極引腳，稱為開爾文發(fā)射極，專門用于驅(qū)動(dòng)回路。通過開爾文發(fā)射極管腳配置，即使仍然使用相同的續(xù)流二極管，開關(guān)速度可以進(jìn)一步提高，IGBT和二極管的損耗都會(huì)減少。因此采用TO-247 4pin增加了整個(gè)系統(tǒng)的效率，從而降低IGBT器件工作結(jié)溫。
在標(biāo)準(zhǔn)的通孔封裝中，例如TO-220或TO-247，每個(gè)引線管腳都有寄生電感。特別是來自發(fā)射極引腳的電感，它是功率和控制回路的共同部分。
如下圖所示，功率環(huán)路還包括來自集電極引腳的寄生電感，以及連接開關(guān)器件和直流電容的PCB走線中的電感。柵極回路包括來自柵極引腳，和連接?xùn)艠O和發(fā)射極焊盤與柵極電阻和柵極驅(qū)動(dòng)器的PCB走線的電感。
在開通和關(guān)斷過程中，發(fā)射極引線電感對(duì)有效柵極到發(fā)射極電壓的影響可分別量化為：
由公式（1）和（2）可以推斷出，有效柵極到發(fā)射極的電壓在開通和關(guān)斷的瞬時(shí)條件下都會(huì)被削弱。
在接通和關(guān)斷的瞬時(shí)，有效柵極到發(fā)射極的電壓被衰減。由于這種衰減，換向時(shí)間被延長，導(dǎo)致了更高的開關(guān)損耗。
新推出的TO-247 4pin封裝有一個(gè)額外的管腳連接到IGBT的發(fā)射極，在圖中標(biāo)為E2。該管腳用于連接?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)器，也被稱為開爾文發(fā)射極，這個(gè)引腳不受來自功率回路的電壓衰減影響，來自IGBT集電極的電流完全由功率發(fā)射器引線E1傳導(dǎo)。
TO-247 4pin封裝的另一個(gè)特點(diǎn)是引腳輸出排布，它與標(biāo)準(zhǔn)的TO-247-3不同，這樣做是為了保持高壓引腳之間的爬電距離。此外，連接到功率回路的引腳C和E1被并排放置，控制回路E2和G的引腳也是相鄰。
在英飛凌的IGBT命名法中，該封裝將在第三個(gè)位置用字母"Z"來標(biāo)識(shí)。
數(shù)據(jù)為證——開通損耗降低顯著
4pin封裝由于沒有來自功率發(fā)射極的柵極電壓的衰減，IGBT的開關(guān)會(huì)比標(biāo)準(zhǔn)的TO-247封裝更快，具體數(shù)據(jù)可以做如下的研究。
為了量化開爾文發(fā)射極對(duì)開通的好處，IGBT IKZ50N65EH5被用作被測器件（DUT）。它是一個(gè)來自TRENCHSTOP™ 5系列的50A額定電流的IGBT，采用TO-247 4pin封裝。
在第一組測試中，發(fā)射極針腳E2沒有被連接。柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出已被連接到引腳G和E1。這模擬了標(biāo)準(zhǔn)的TO-247封裝，在圖5中被稱為3引腳配置。在第二組中，引腳E1和E2分別連接，這種配置在圖5中被稱為4引腳。
圖5中顯示了兩種配置之間的開通損耗比較
市場上有一個(gè)具有相同額定電流的標(biāo)準(zhǔn)TO-247的部件被列為參考。通過在額定電流50A下開關(guān)，開爾文發(fā)射極配置的好處是開通損耗降低了23%，IKZ50N65EH5顯示出比同類對(duì)照產(chǎn)品低14%的開通損耗。
數(shù)據(jù)為證——關(guān)斷損耗降低，只有在標(biāo)稱電流以上優(yōu)勢才明顯
IGBT在TO-247 4pin的關(guān)斷速度也變得更快。因此，電流變化率dIC/dt會(huì)增加，在環(huán)路寄生電感沒有得到改善的情況下，這將導(dǎo)致更高的過電壓峰值。由于其非常短的上升時(shí)間，TRENCHSTOP™ 5 IGBT很可能在關(guān)斷期間出現(xiàn)過電壓峰值。這種影響隨著寄生電感Lloop的增加而增加，根據(jù)：
在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)認(rèn)真考慮這種影響，在有些應(yīng)用，如SMPS和UPS，需要在額定擊穿電壓的基礎(chǔ)上保留20%的安全余量。
圖6顯示了封裝對(duì)IKZ50N65H5的關(guān)斷的影響，其中換向電壓和電流分別為400V和100A。結(jié)溫度為Tj=25℃。在圖6的左側(cè)，IGBT器件在3PIN配置中進(jìn)行了切換。集電極電流的最大變化率為1.5A/ns，導(dǎo)致530V的過電壓峰值。
在圖6的右邊，同樣的器件現(xiàn)在以4pin的配置進(jìn)行開關(guān)。換向速度速度增加到2A/ns，導(dǎo)致更低的損耗。然而，過電壓峰值達(dá)到了570V，這個(gè)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了IGBT擊穿電壓的20%的余量。
圖6.IKZ50N65EH5在(a)3pin和(b)4pin配置下的關(guān)斷期間的波形圖
為了避免如此高的過電壓，必須減少環(huán)路寄生電感。這可以通過優(yōu)化PCB的走線和元件的位置來實(shí)現(xiàn)。另外，也可以增加?xùn)艠O電阻RG.OFF，從而使開關(guān)速度變慢，dIC/dt變低。圖7顯示了不同柵極電阻和集電極電流下IKZ50N65EH5關(guān)斷時(shí)的過沖電壓。
圖7：電壓尖峰與電流和柵極電阻關(guān)系
由于增加了RG.OFF，關(guān)斷損耗將增加，TO-247 4pin的好處將在關(guān)斷時(shí)被部分抵消，如圖8所示。
圖8：TO-247 4pin的優(yōu)勢在關(guān)斷時(shí)將被部分抵消，但仍然比對(duì)照的器件低很多
根據(jù)50A TRENCHSTOP™ 5 H5 IGBT的芯片特性，開爾文發(fā)射極配置可能只在超過IGBT的標(biāo)稱電流值時(shí)，關(guān)斷損耗的降低的優(yōu)勢才發(fā)揮出來。
數(shù)據(jù)為證——算總賬
圖9(a)中顯示了所測試的三個(gè)器件的總開關(guān)損耗。開爾文發(fā)射器配置的優(yōu)勢在大電流時(shí)更大。
開爾文發(fā)射極配置的優(yōu)勢在大電流下，這時(shí)電流變化率最高。因而，在3pin封裝中，引線電感將使柵極電壓衰減最大。因此，在電流高于IGBT的額定電流的應(yīng)用中，開關(guān)損耗的減少可以高于20%。
圖9(a) IKZ50N65EH5在3pin和4pin配置下的總開關(guān)能量
圖9(b)4pin配置的開關(guān)能量減少的絕對(duì)值和相對(duì)值
不間斷電源設(shè)計(jì)器件電流利用率高，開關(guān)損耗的減少可以超過20%。對(duì)于電流通常是IGBT額定電流一半左右的應(yīng)用，例如光伏逆變器或開關(guān)電源（SMPS），其好處略低，但仍然存在，開關(guān)損耗能降低15%。
應(yīng)用篇——驅(qū)動(dòng)技術(shù)
關(guān)于柵極驅(qū)動(dòng)器的一些建議是：
1.驅(qū)動(dòng)器的地，參考點(diǎn)是輔助發(fā)射極，必須與電源地隔離，這是必須的，以防止引腳E1和E2短路
2.建議將RG.ON和RG.OFF分開，選取不同的開通和關(guān)斷的電阻阻值可以優(yōu)化開關(guān)特性
考慮到以上幾點(diǎn)，最近推出的EiceDRIVER™ Compact是一個(gè)很好的配套驅(qū)動(dòng)IC電路。
驅(qū)動(dòng)器和TO-247 4pin封裝的IGBT之間的典型連接
應(yīng)用篇——并聯(lián)技術(shù)
當(dāng)TO-247 4pin封裝的器件并聯(lián)時(shí)，器件之間存在另一條環(huán)路電流的路徑。這條路徑是通過器件連接的開爾文發(fā)射極，如圖12（a）所示。由于該路徑的低阻抗，發(fā)射極電壓VLe的微小差異就會(huì)產(chǎn)生極高的環(huán)路電流，尤其并聯(lián)的IGBT開關(guān)時(shí)間差異大時(shí)，造成不同的dIC/dt，這就會(huì)發(fā)生大的瞬態(tài)大環(huán)路電流。
為了限制環(huán)路電流，圖12（b）給出并聯(lián)電路的設(shè)計(jì)建議
柵極電阻現(xiàn)在被分割為RG和RE。這樣，額外的路徑具有較高的電阻，將潛在的危險(xiǎn)電流限制在低于臨界值。
圖12(a) 三個(gè)IGBT的并聯(lián)連接和通過開爾文發(fā)射極的環(huán)路電流
圖12(b) 重新配置電路，分割柵極電阻
從驅(qū)動(dòng)器往外看，看到的總電阻將是RG和RE的總和，作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，RE/RG的比例在1/5和1/10之間。為了達(dá)到適當(dāng)?shù)南蘖餍Ч?，RE的選擇不應(yīng)低于0.5Ω。
結(jié) 論
TRENCHSTOP™ 5 IGBT，采用開爾文發(fā)射極設(shè)計(jì)的TO-247 4pin封裝與標(biāo)準(zhǔn)的TO-247封裝相比，在標(biāo)稱電流下降低了20%的開關(guān)損耗。
參考文獻(xiàn)
本文選譯自英飛凌應(yīng)用指南
TRENCHSTOP™ 5 IGBT in a Kelvin Emitter Configuration---Performance Comparison and Design Guidelines
