充分利用IGBT的关键在于要知道何时、何地以及如何使用它们

如今，碳化硅 (SiC)和氮化镓 (GaN) 等宽禁带半导体风头正盛。但在此之前，绝缘栅双极晶体管 (IGBT)才是电力电子行业的主角。本文将介绍IGBT在哪些应用中仍能发挥所长，然后快速探讨一下这些多用途器件的未来前景。

焊接机

许多现代化焊接机使用逆变器，而非焊接变压器，因为直流输出电流可以提高焊接工艺的控制精度。更多优势还包括直流电流比交流电流更安全，并且采用逆变器的焊接机具有更高的功率密度，因此重量更轻。

图 1：焊接机框图

焊接逆变器常用的开关拓扑结构包括全桥、半桥和双管正激，而恒定电流是最常用的控制方案。全桥和半桥拓扑结构的 IGBT 开关频率通常在 20 至 50 kHz 之间。

图 2：IGBT用于焊接的全桥、半桥和双管正激拓扑结构

电磁炉

电磁炉的原理是，通过励磁线圈迫使电流在高磁导率材质的锅内循环。然后，逆变器将电流导入铜线圈，从而产生电磁场。电磁场穿透锅底，产生电流，使锅升温。

图 3：电磁炉框图

对电磁炉的基本要求如下：

●   高频开关

●   功率因子接近 1

●   宽负载范围

基于谐振电路的拓扑结构是最常用的，原因是它们能支持高频开关而不影响效率，最常见的是谐振半桥 (RHB) 转换器和准谐振 (QR) 逆变器。RHB 的优点是它的负载工作范围很大，并且能够提供超高功率。而 QR 成本较低，非常适合中低功率范围（峰值功率不超过 2 kW）。

图 4：RHB 和 QR 拓扑结构

电机驱动

半桥转换器 (HB) 是电机驱动应用中一种常见的拓扑结构，频率介于 2kHz 至 15kHz 之间。

图 5：半桥拓扑结构显示正输出电流和负输出电流

但是，这种快速开关拓扑结构有一些局限性。其中包括：

●   只有两个输出电压电平

●   被动和主动器件受到应力

●   开关损耗高

●   栅极驱动难度加大

●   纹波电流升高

●   EMI 变高

●   电压处理（无法与高电压母线结合使用）

●   设备串联增加了实施工作的复杂性

●   难以达到热平衡

●   高滤波要求

新一代 IGBT 拓扑结构

对于不间断电源 (UPS)和太阳能逆变器这样的应用，需要设计出具有多个电压电平的新拓扑结构来打破这些局限。常见结构包括单极性开关 I 型和 T 型转换器，它们能够在较高的母线电压下工作。此外，输出状态增多，整个滤波器的电压会相应减小，因此可以使用更小的组件。由于开关损耗更低，这些拓扑结构非常适用于更高的频率（16kHz 至 40kHz），并具有出色的效率表现（约 98%）。

图 6：I 型和 T 型转换器拓扑结构

IGBT 的未来将会如何发展？

尽管 IGBT 已经问世了很长一段时间，并且它仍是许多高电压和大电流应用的理想之选。然而，它们不仅出现在常规设计中，而是越来越多地被用于新的设计。这是因为最近推出的器件具有新颖的结构，它们通过提升电流密度和降低开关损耗，将Vcesat 降得更低（接近 1V）。要最大限度地发挥使用 IGBT 的优势，就必须了解应用要求并选择正确的电路拓扑结构。

安森美 (onsemi)推出的1200 V 沟槽场截止 VII (FS7) IGBT，以出色的性能将导通损耗和开关损耗尽可能降低。

这款全新 1200 V 器件具有优秀的导通和开关性能。FGY75T120SWD是现有 1200 V IGBT 中开关性能最好的产品之一。FGY100T120RWD在 100 A 额定电流下的Vcesat低至 1.45 V，比上代器件改进了 0.4 V。这些新器件旨在提高快速开关应用的效率，主要用于能源基础设施应用，例如太阳能逆变器、不间断电源 (UPS)、储能和电动汽车充电电源转换。这款全新 1200 V 沟槽场截止 VII (FS7) IGBT 可用来将输入电压提升至高压（升压级），和用于为高开关频率能源基础设施应用提供交流输出的逆变器。FS7 器件的低开关损耗可实现更高的开关频率，减小磁性组件的尺寸，提高功率密度并降低系统成本。在大功率能源基础设施应用中，FS7 器件的正温度系数易于实现并联工作。

图 7：1200 V 沟槽场截止 VII (FS7) IGBT