為什么逆導(dǎo)型IGBT可以用于大功率CCM模式 PFC電路

對于功率因數(shù)校正（PFC），通常使用升壓轉(zhuǎn)換器Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它可以最大限度地減少輸入電流的諧波。同時IGBT是大功率PFC應(yīng)用的最佳選擇，如空調(diào)、加熱、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）以及熱泵。

理論上，在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，通過IGBT反向續(xù)流永遠(yuǎn)不會發(fā)生。然而，在輕負(fù)載或瞬態(tài)條件下，由于升壓電感Lboost和IGBT的輸出電容Coss之間的共振，會有反向電流流過。

這個諧振電流，iQN(t)是由以下公式給出的。

諧振期間IGBT兩端的電壓（VCE）可以得出：

當(dāng)輸入電壓Vin低于輸出電壓的一半時（Vin<vout/2），開關(guān)管的電壓VCE變?yōu)樨?fù)值。如果沒有與圖1中升壓PFC的IGBT并聯(lián)的反向?qū)щ娐窂?，這個負(fù)電壓會出現(xiàn)在IGBT上。如果不考慮阻尼因素，在過零點(diǎn)附近的反向電壓的大小理論上可以達(dá)到與輸出電壓Vout相同的量值。這對系統(tǒng)的長期可靠性來說是非常危險的，因?yàn)樗荒鼙ＷC反向電壓被施加到IGBT上。

Figure 1. PFC circuit with boost converter topology

比較用于PFC應(yīng)用的不同IGBT解決方案

通過測試比較TRENCHSTOP? 5 WR6 IGBT（IKWH30N65WR6）和TRENCHSTOP?  IGBT3（IGW30N60H3）在CCM-boost PFC電路中的工作波形，證明了這種現(xiàn)象。IKWH30N65WR6包含一個集成在IGBT芯片中的反向?qū)щ姷亩O管，而后者的IGBT不包含反向?qū)щ姷亩O管。圖2顯示，對于IKWH30N65WR6，反向電壓被鉗位到接近零。在使用IGW30N60H3的情況下，反向電壓最高達(dá)到-241V。因此，即使在PFC的CCM模式中，反向?qū)щ姸O管對于確保系統(tǒng)的可靠性也是至關(guān)重要的。

然而，在這種情況下，對于短時間軟的反向恢復(fù)電流，我們不需要一個高性能的續(xù)流二極管。在圖2中，你可以看到IGBT的反向電流的峰值只有大約200毫安，持續(xù)時間為幾微秒。

Without reverse conducting diode

With reverse conducting diode

Figure 2. Switching waveforms of IGBTs at turn-off transition in CCM PFC at light load condition

一般來說，逆導(dǎo)型RC IGBT不適合于需要硬換流的應(yīng)用。然而，RC IGBT對一些硬換向應(yīng)用非常有利，如PFC，其中IGBT的反向續(xù)流二極管不需要有良好的反向恢復(fù)性能。在這種應(yīng)用中，當(dāng)高性能的二極管是多余的時候，它們提供了一個更經(jīng)濟(jì)的選擇。

用于升壓PFC和逆變焊接應(yīng)用的TRENCHSTOP? 5 WR6 IGBT

英飛凌最新的RC IGBT，如圖3所示，是基于TRENCHSTOP? 5 WR6 IGBT技術(shù)，其中N+區(qū)被部分植入P集電極層，形成一個內(nèi)在的P-N二極管。這使得反向電流可以流動，而不需要額外的續(xù)流二極管。

Figure 3. TRENCHSTOPTM 5 WR6 IGBT using a reverse-conducting (RC) IGBT concept

這種TRENCHSTOP? 5 WR6 IGBT非常適用于升壓PFC和逆變焊接應(yīng)用。根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用優(yōu)化漂移區(qū)的厚度和二極管的額定值，確保了額定電流下1.4V的最佳VCE(sat)，同時保持650V的額定電壓。此外，由于其極低的少數(shù)載流子壽命，不會出現(xiàn)拖尾電流，這使得TRENCHSTOP? 5 WR6 IGBT能夠?qū)崿F(xiàn)60kHz甚至更高的開關(guān)頻率。

當(dāng)選擇TRENCHSTOP? 5 WR6 IGBT用于不發(fā)生硬換流的PFC應(yīng)用時，不需要擔(dān)心逆導(dǎo)型IGBT中的二極管性能問題。有了這項(xiàng)技術(shù)，就有可能為您的下一個設(shè)計創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)而可靠的系統(tǒng)。

參考資料

[1] E. M. Findlay and F. Udrea, “Reverse-Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor: A Review of Current Technologies,” in IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 66, no. 1, pp. 219-231, Jan. 2019.

[2] I. Sheikhian; N. Kaminski; S. Voss; W. Scholz; E. Herweg; “Optimization of the reverse conducting IGBT for zero‐voltage switching applications such as induction cookers” Volume8, Issue3 Special Issue: Power Semiconductor Devices and Integrated Circuit, May 2014 pp. 176-181