多功能的 IGBT7 器件是电机驱动应用的必备之选，可为包括航空航天、可再生能源、储能系统 (ESS)、数据中心以及商用和农业车辆在内的众多行业提供动力。.
绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 是一种功率半导体器件，具有集电极、发射极和栅极。之所以称为双极型，是因为其导电机制依赖于电子和空穴的运动。IGBT 是各种电力电子应用（例如功率变换器、逆变器和斩波器）的强大驱动器件。IGBT 广泛应用于中高开关性能的市电系统和设备中，功率范围从几千瓦到几兆瓦。IGBT 功率模块是现代电力电子设备中的关键组件。这些模块在各种应用中控制和转换电能，包括工业电机驱动、可再生能源系统、电动汽车 (EV) 和电网。.
下一代IGBT7
第七代IGBT功率模块现已推出，并提供七种多封装规格。与前几代产品相比，这些器件具有更低的VCE(sat)和VF，在TJ 175°C下仍能过载，电流容量提升50%，dv/dt可控性增强，正向驱动平滑性提高，驱动方式也更加简便。这些特性使其在功率密度、耐用性、系统成本、效率、易用性和产品上市速度方面脱颖而出。.
IGBT7沟槽技术
Trench7 IGBT 采用微图案沟槽 (MPT) 技术，该技术由平行沟槽单元组成，单元之间由亚微米级平台分隔，而上一代产品则采用方形沟槽单元。图 1 展示了不同技术的横截面，从穿通式到 IGBT7。由于 IGBT7 沟槽单元的单元间距更小，栅极之间的平台更窄，因此发射电极附近的载流子存储量增加。这提高了漂移区的电导率，进而显著降低了正向电压，最终降低了 IGBT7 技术的导通损耗。.
图 1. IGBT 技术的发展历程
图 2. IGBT 技术对比（IGBT3 (T3/E3) 在 TVJ (op) 为 125 °C，而 IGBT4 和 IGBT7 在 TVJ (op) 为 150 °C）
图 2 展示了不同代 IGBT 的相对比较，包括第 2 代、第 3 代、第 4 代以及最新的 IGBT7。IGBT7 的导通电压最低，与上一代 IGBT4 相比降低了 15% 到 20%。这种低导通损耗转化为低导通损耗，进而提高了低频和中频开关应用的效率。此外，IGBT7 还采用了具有改进的待机恢复特性和低正向电压 (Vf) 的软反并联二极管，进一步降低了损耗，从而提供了更高的功率密度。.
IGBT7 伽马
IGBT7功率模块提供标准62mm封装，D3封装适用于单相或半桥配置，D4封装适用于单相开关配置。Microchip提供低电感、低高度的62mm封装，例如SP6C、SP6P和SP6LI，这些封装具有更低的封装高度和更低的封装电感，从而实现高功率密度和高可靠性。
更小的封装，例如SP1F和SP3F，也具有低高度和多种配置，可用于实现更低的功率水平。额定电流最高可达900A，额定电压最高可达1200V和1700V。
图 3. IGBT7 伽马
图 4. IGBT7 拓扑结构
表1. IGBT7的量程特性、应用优势和终端用户优势
更低的导通状态电压 VCE(sat) 和更低的正向电压 Vf，以及改进的 FWD。
导通状态电压降低 15% 至 20% 后，损耗显著降低，尤其适用于中等开关频率的应用；同时，在给定的 dv/dt 限制下，导通损耗降低，反并联二极管损耗也得以减少。
IGBT的导通损耗与其技术的饱和导通电压（VCE(sat)）成正比。IGBT7在结温（TJ）175 °C时的典型VCE(sat)约为1.77 V，远低于IGBT4在结温（TVJ）150 °C时的VCE(sat) 2.1 V。VCE(sat)降低15%可显著降低导通损耗。.
此外，降低反并联二极管的正向电压有助于减少二极管损耗，因此改进后的二极管与 IGBT4 相比，正向电压降低了 100 mV，进一步降低了导通。.
• 总导通损耗 = IGBT 导通损耗 + 二极管导通损耗
• 总开关损耗 = IGBT 开关损耗 + 二极管开关损耗
• 总功率损耗 = 总开关损耗 + 总功率损耗
• 效率 = 输出功率/输入功率 = 输入功率 + 总功率损耗/输入功率
表 2. IGBT4 和 IGBT7 VCE（饱和）规格示例比较
TVJ(op) 的过载能力为 175 °C。IGBT7 的
最大结温为 175 °C，而 IGBT4 的最高结温为 150 °C，这对于执行重复、短时过载操作的电机驱动器至关重要。IGBT7 功率模块专为严苛应用而设计，即使在过载条件下，其结温也能承受高达 175 °C 的高温，而 IGBT4 的最高结温仅为 150 °C。这 25 °C 的提升不仅显著提高了驱动器功率逆变器的可靠性和耐久性，而且由于 IGBT7 相较于其他任何技术都具有优异的性价比，因此还能转化为成本节约。
图 5. IGBT7 与前几代 IGBT 的最大工作结温比较。.
变频电机控制器广泛应用于商用和农业车辆 (CAV)、工业工厂和铁路等领域，在这些领域中，重要的是能够在正常工作温度下承受短时过载，且持续时间不少于 1 分钟/60 秒。.
表 3. 逆变器供电多相电机过载持续时间示例（根据 ANSI/NEMA MG 1-2016（2018 年修订版））
对于 UPS 系统等应用来说，短时过载对电源规格至关重要，典型的过载持续时间可能差异很大，例如 110% 持续 10 分钟 + 125% 持续 120 秒 + 150% 持续 15 秒。.
在这些完全过载期间，逆变器及其开关会承载更大的电流，导致结温升高。功率开关必须具备承受这种过载以及在其使用寿命期间反复过载造成的磨损的能力。反复过载是工业电机应用中的常见现象，必须在逆变器设计和选择合适的半导体功率开关时加以考虑。在这些过载期间保持开关的耐久性对于长期可靠运行至关重要。.
改进的dv/dt控制
逆变器具有高度可控性（可通过调节栅极电阻 (Rg) 来改变 dv/dt），以满足电机绝缘要求或电磁干扰 (EMI) 限制。逆变器使用脉冲宽度调制 (PWM) 信号驱动电机，而 PWM 信号产生的输出电压波形并非正弦波形。除了低次谐波外，这些波形还叠加有幅值单一、前沿陡峭的电压峰值。定子绕组匝间、相间以及与地之间的绝缘都会受到由此产生的介电应力的影响。高开关频率意味着更长、更陡峭的脉冲上升时间。开关脉冲上升时间的延长会导致较高的 dv/dt，而电机驱动应用中从逆变器到电机的长电缆会加剧这种情况，导致电机端子处出现更高的峰值电压。上升时间过长还会导致涡流从转子流向电机机箱，从而损坏轴承。这些由上升时间引起的危险高压尖峰会导致电弧放电，最终导致绝缘失效。更长的电机电缆会导致更高的电压浪涌，峰值可达系统工作电压的五倍（415V 系统可达 2000V 以上）。这些高压尖峰会导致绝缘击穿，进而造成相间或匝间短路，最终触发驱动传感器的过流保护。.
因此，电机制造商强烈建议，对于典型的380/415/440 VAC三相电机，在最坏情况下，逆变器端子处的dv/dt不应超过5 kV/µs。电机与逆变器之间的连接长度越长，dv/dt尖峰和突发dv/dt浪涌的可能性就越大，这可能导致电机端子处的电压升高到危险水平。在精心设计通用工业驱动器时，根据电机的绝缘要求优化dv/dt电压梯度至关重要。为了实现这种优化，IGBT7通过调节栅极电阻(Rg)来精确控制逆变器切换dv/dt的能力，从而展现出极高的精度。.
图 6. 电机端子处的电机电压
当Rg增大时，导通和关断状态下的dv/dt值均会降低，而当Rg处于最佳范围内时，导通状态下的dv/dt值会显著降低。因此，需要优化Rg值以达到所需的dv/dt值<5 kV/µs。.
图 7. 使用 IGBT7 对 dv/dt 与 Rg 进行优化
Microchip 可根据特殊要求提供 Rg 和相对 dv/dt 图，用于 dv/dt 优化，从而减轻工业电机驱动设计和应用工程师的主要设计担忧。.
简单易用的栅极控制
CGE（栅极发射极电容）和 CGC（栅极集电极电容）平衡，使 IGBT7 能够完全控制 dv/dt 并优化开关波形，并且 CGE 的设计避免了寄生导通效应，因此关断时可以使用零电压电源（单极栅极驱动器电源）。
图 8. IGBT7 驱动电路
更高的电流容量：
IGBT7 芯片的固有电流容量高于上一代 IGBT4。这意味着在相同尺寸下，其功率输出更高，从而可以缩小机架尺寸，使用更小的机架代替更大的机架。此外，由于可以在给定面积内封装更多功率，因此整体功率密度也得以提高，避免了并联多个交换机的需要，降低了复杂性，并提高了可靠性和耐用性。更高的功率密度降低了电源系统的物料清单 (BOM) 成本，并加快了产品上市速度。
图 9. 相同封装中，框架尺寸增大，电流增加 50%。.
低电感、低高度封装：
Microchip 的低寄生电感封装可降低电压浪涌，从而提高耐用性和可靠性。更低的高度设计允许在更小的体积内集成更多功率，与 IGBT7 技术配合使用时可提高功率密度。
由于浪涌电压较低，用户相对容易使用 1200V 模块来驱动 700-800V 的直流链路，而不是使用 1700V 模块，前提是逆变器整体设计采用低电感和交错式母线。这不仅可以显著节省模块成本，还可以节省栅极驱动板成本，从而降低电源系统设计成本。.
表4。.
图 10. 差异化微芯片封装
图 11. IGBT7 的主要应用
IGBT7 的特性及其为终端用户带来的优势，使其成为适用于多种应用和发展趋势的多功能功率模块，涵盖从低频到中频开关频率的应用。其易于使用，且栅极控制机制简单，简化了设计，无需投入资源来设计新的控制器。多种拓扑结构可轻松用作构建模块，用于构建各种应用中的转换器，从而提供设计灵活性并加快产品上市速度。凭借其多功能性，IGBT7 功率模块可应用于太阳能、风能、电机驱动、储能系统 (ESS)、商用和农业车辆 (CAV)、数据中心、铁路、电动汽车、输配电以及航空等领域，为客户在功率、精度和性能方面带来显著优势。.
参考资料：
https
https://www.nema.org/docs/default-source/standards-document-library/mg-1-part-31-watermark.pdf?sfvrsn=649fb42f_1
功率半导体（赛米克隆）应用手册
TRENCHSTOP™ 1200 V IGBT7 T7 应用笔记（英飞凌）（AN2018-14）
Amit 的技术专栏，Microchip 航空与国防新闻
作者：Amit Gole， Microchip Technology公司集成电源解决方案产品营销经理
