絕緣柵極雙極性晶體管（IGBT）是具有高輸入阻抗和大雙極性電流能力的少數載流子功率器件。由于這些特性，IGBT非常適合電力電子中的許多應用，尤其是電機驅動器、不間斷電源（UPS）、可再生能源、電焊機、感應加熱爐具和其他需要高電流和高電壓能力的逆變器應用。短路耐受能力也是IGBT用于逆變器應用的一項重要功能。

　　在逆變器驅動UPS或電機應用中，IGBT如果在故障電機、輸出短路或輸入總線電壓直通情形中導通，可能會損壞。在這些條件下，經過IGBT的電流快速增加直至飽和。在故障檢測和保護功能激活前，IGBT將承受電壓力。從拓撲上看，三級中點箝位拓撲越來越普遍，甚至可應用到中低功率逆變器，因為更好的輸出電壓性能可減小濾波器尺寸并降低成本，同時在不過分犧牲開關損耗的情況下增加開關頻率。在這種情況下，650V擊穿電壓為滿足應用要求提供了極大的幫助。由于無法在三級NPC拓撲中完美平衡直流母線電壓，較高的阻斷電壓對此拓撲極其重要。開發650V IGBT時，將開關和傳導損耗保持在與600V IGBT相同水平至關重要。通常較高的擊穿電壓會造成Vce（sat）增加，并導致逆變器應用中的性能降低。

　　同時，Vce（sat）和開關性能存在權衡取舍。這意味著補償因較高電壓設計導致的Vce（sat）增加可能會減慢開關性能，增加系統中的開關損耗。因此，在選擇曲線中找到最佳設計點對開發650V IGBT至關重要。新的場截止溝道IGBT正是為滿足這些要求而開發的。它具有650V擊穿電壓、極低的Vce（sat）和短路耐受能力。新IGBT的性能已通過系統級評估驗證。

　　場截止溝道技術

　　場截止溝道技術利用溝道柵結構和高度摻雜n+緩沖層獲得溝道穿通特性。借助這些功能，此新的IGBT技術實現了比上一代技術更高的單元密度。因此，在給定硅面積下它具有低得多的通態壓降。新場截止溝道IGBT的電流密度是之前場截止平面技術的兩倍以上。圖1顯示FGH75T65UPD、新的 75A/650V場截止溝道IGBT和FGH75N60UF、75A/600V上一代場截止平面IGBT的權衡特性。FGH75T65UPD在25℃、 75A時實現1.65V的Vce（sat），而FGH75N60UF在相同條件下提供1.9V?？紤]到擊穿電壓增加到650V和活動面積減小，此特性有顯著改進，因為較高的阻斷電壓和較小的尺寸導致Vce（sat）增加。此低Vce（sat）是新場截止溝道IGBT的主要優勢。場截止溝道技術還減少了每轉換周期的關斷能耗，如圖1所示。此增強的權衡特性使逆變器設計能夠滿足較高系統效率的市場需求。盡管硅面積減小，新場截止溝道IGBT在因熱失控出現故障之前提供5us短路耐受時間，這是上一代IGBT無法提供的。新場截止溝道IGBT也有較低的關斷狀態漏電流，最大結溫為175℃。

　　圖1 權衡特性

　　對比評估結果

　　新場截止溝道IGBT通過同樣利用類似場截止技術的競爭設備來評估。在Tj=25℃、Ic=80A、Vce=400V、Vge=15V和 Rg=5Ohm的開關測試中，FGH75T65UPD顯示183uJ的關斷損耗。額定值為75A/600V的競爭產品IGBT的開關損耗為231uJ。評估相同封裝的二極管的反向恢復特性。測試條件為If=40A，Tj=125℃，Vr=400V，di/dt=500A/us。新場截止溝道IGBT的 Qrr為1.17uC，比競爭產品IGBT的3.98uC小很多。這個小Qrr值可在橋拓撲的情況下減小橋臂中IGBT的開通損耗。開關性能通過商業 5.5kW額定值光伏并網逆變器來驗證，該逆變器具有前端升壓級和雙極性控制全橋逆變級。兩級的開關頻率均為19kHz。升壓級保持原始設計不變，FGH75T65UPD和競爭產品IGBT應用于全橋逆變級。圖2顯示FGH75T65UPD和競爭產品IGBT的效率測試結果。 FGH75T65UPD的EURO和CEC加權效率為94.37%和95.08%，競爭產品IGBT的分別為93.67%和94.37%。新場截止溝道 IGBT具有卓越的開關性能，因此效率更高。

　　圖2 PV逆變器效率

　　圖3顯示額定值為50A的新場截止溝道IGBT、FGH50T65UPD及其競爭產品的另一權衡取舍。FGH50T65UPD顯示10A和20A的權衡取舍，這是多數應用中的實用工作電流水平?；谶@些特性，估計系統中的功率損耗。目標系統是3kW額定混合頻率全橋逆變器。兩個低端IGBT在線路頻率下切換，兩個高端IGBT在17kHz切換。估計的功率損耗在圖4中總結。要驗證功率損耗估計值，使用兩個IGBT評估系統效率;FGH50T65UPD和競爭產品3 IGBT（與FGH50T65UPD具有類似的功率損耗）。圖5顯示3kW逆變器系統的測量效率。競爭產品3 IGBT在全負載時接近FGH50T65UPD。這與估計值相匹配。此外，效率差距隨著負載的減小而變大。這也與圖3相符，圖3中顯示當電流水平較低時 FGH50T65UPD的性能優于競爭產品。

　　圖3 PV逆變器效率

　　圖4 功率損耗估計

　　圖5 混合頻率全橋逆變器效率

　　結論

　　上文已介紹新的650V場截止溝道IGBT并評估了其性能。新的IGBT比上一代IGBT提供更好的DC和AC特性、更長的短路耐受時間以及更低的漏電流。經過所有這些改進，新場截止溝道IGBT可實現高效和可靠的逆變器系統。