英飛凌通過改善IGBT芯片的結構和工藝，大大降低了器件的開關損耗。下圖展示了不同技術的分立50A IGBT的開關損耗的比較。圖的底部顯示了IGBT和二極管技術，以及它們進入市場的年份。圖中的開關損耗是在一個開關單元中測量的，并使用具有相同額定電流的器件作為對照。

芯片關斷損耗大幅下降，器件開通損耗下降舉步維艱

仔細讀上圖可以發現，最新的系列中，IGBT的關斷能量降低非常明顯。這是通過減少關斷期間電流的下降時間來實現的，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應的續流二極管和其反向恢復電荷量。實際上，當二極管與更快的IGBT結合在一起時，恢復電荷量往往會增加，從而增加了開關的開通損耗。

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。這種封裝多了一個額外的發射極引腳，稱為開爾文發射極，專門用于驅動回路。通過開爾文發射極管腳配置，即使仍然使用相同的續流二極管，開關速度可以進一步提高，IGBT和二極管的損耗都會減少。因此采用TO-247 4pin增加了整個系統的效率，從而降低IGBT器件工作結溫。

在標準的通孔封裝中，例如TO-220或TO-247，每個引線管腳都有寄生電感。特別是來自發射極引腳的電感，它是功率和控制回路的共同部分。

如下圖所示，功率環路還包括來自集電極引腳的寄生電感，以及連接開關器件和直流電容的PCB走線中的電感。柵極回路包括來自柵極引腳，和連接柵極和發射極焊盤與柵極電阻和柵極驅動器的PCB走線的電感。

在開通和關斷過程中，發射極引線電感對有效柵極到發射極電壓的影響可分別量化為：

由公式（1）和（2）可以推斷出，有效柵極到發射極的電壓在開通和關斷的瞬時條件下都會被削弱。

在接通和關斷的瞬時，有效柵極到發射極的電壓被衰減。由于這種衰減，換向時間被延長，導致了更高的開關損耗。

新推出的TO-247 4pin封裝有一個額外的管腳連接到IGBT的發射極，在圖中標為E2。該管腳用于連接柵極驅動器，也被稱為開爾文發射極，這個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射器引線E1傳導。

TO-247 4pin封裝的另一個特點是引腳輸出排布，它與標準的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，該封裝將在第三個位置用字母"Z"來標識。

數據為證——開通損耗降低顯著

4pin封裝由于沒有來自功率發射極的柵極電壓的衰減，IGBT的開關會比標準的TO-247封裝更快，具體數據可以做如下的研究。

為了量化開爾文發射極對開通的好處，IGBT IKZ50N65EH5被用作被測器件（DUT）。它是一個來自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，發射極針腳E2沒有被連接。柵極驅動器的輸出已被連接到引腳G和E1。這模擬了標準的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

市場上有一個具有相同額定電流的標準TO-247的部件被列為參考。通過在額定電流50A下開關，開爾文發射極配置的好處是開通損耗降低了23%，IKZ50N65EH5顯示出比同類對照產品低14%的開通損耗。

數據為證——關斷損耗降低，只有在標稱電流以上優勢才明顯

IGBT在TO-247 4pin的關斷速度也變得更快。因此，電流變化率dIC/dt會增加，在環路寄生電感沒有得到改善的情況下，這將導致更高的過電壓峰值。由于其非常短的上升時間，TRENCHSTOP™ 5 IGBT很可能在關斷期間出現過電壓峰值。這種影響隨著寄生電感Lloop的增加而增加，根據：

在實際設計中應認真考慮這種影響，在有些應用，如SMPS和UPS，需要在額定擊穿電壓的基礎上保留20%的安全余量。

圖6顯示了封裝對IKZ50N65H5的關斷的影響，其中換向電壓和電流分別為400V和100A。結溫度為Tj=25℃。在圖6的左側，IGBT器件在3PIN配置中進行了切換。集電極電流的最大變化率為1.5A/ns，導致530V的過電壓峰值。

在圖6的右邊，同樣的器件現在以4pin的配置進行開關。換向速度速度增加到2A/ns，導致更低的損耗。然而，過電壓峰值達到了570V，這個值遠遠超過了IGBT擊穿電壓的20%的余量。

圖6.IKZ50N65EH5在(a)3pin和(b)4pin配置下的關斷期間的波形圖

為了避免如此高的過電壓，必須減少環路寄生電感。這可以通過優化PCB的走線和元件的位置來實現。另外，也可以增加柵極電阻RG.OFF，從而使開關速度變慢，dIC/dt變低。圖7顯示了不同柵極電阻和集電極電流下IKZ50N65EH5關斷時的過沖電壓。

圖7：電壓尖峰與電流和柵極電阻關系

由于增加了RG.OFF，關斷損耗將增加，TO-247 4pin的好處將在關斷時被部分抵消，如圖8所示。

圖8：TO-247 4pin的優勢在關斷時將被部分抵消，但仍然比對照的器件低很多

根據50A TRENCHSTOP™ 5 H5 IGBT的芯片特性，開爾文發射極配置可能只在超過IGBT的標稱電流值時，關斷損耗的降低的優勢才發揮出來。

數據為證——算總賬

圖9(a)中顯示了所測試的三個器件的總開關損耗。開爾文發射器配置的優勢在大電流時更大。

開爾文發射極配置的優勢在大電流下，這時電流變化率最高。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的額定電流的應用中，開關損耗的減少可以高于20%。

圖9(a) IKZ50N65EH5在3pin和4pin配置下的總開關能量

圖9(b)4pin配置的開關能量減少的絕對值和相對值

不間斷電源設計器件電流利用率高，開關損耗的減少可以超過20%。對于電流通常是IGBT額定電流一半左右的應用，例如光伏逆變器或開關電源（SMPS），其好處略低，但仍然存在，開關損耗能降低15%。

應用篇——驅動技術

關于柵極驅動器的一些建議是：

1.驅動器的地，參考點是輔助發射極，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斷的電阻阻值可以優化開關特性

考慮到以上幾點，最近推出的EiceDRIVER™ Compact是一個很好的配套驅動IC電路。

驅動器和TO-247 4pin封裝的IGBT之間的典型連接

應用篇——并聯技術

當TO-247 4pin封裝的器件并聯時，器件之間存在另一條環路電流的路徑。這條路徑是通過器件連接的開爾文發射極，如圖12（a）所示。由于該路徑的低阻抗，發射極電壓VLe的微小差異就會產生極高的環路電流，尤其并聯的IGBT開關時間差異大時，造成不同的dIC/dt，這就會發生大的瞬態大環路電流。

為了限制環路電流，圖12（b）給出并聯電路的設計建議

柵極電阻現在被分割為RG和RE。這樣，額外的路徑具有較高的電阻，將潛在的危險電流限制在低于臨界值。

圖12(a) 三個IGBT的并聯連接和通過開爾文發射極的環路電流

圖12(b) 重新配置電路，分割柵極電阻

從驅動器往外看，看到的總電阻將是RG和RE的總和，作為一個經驗法則，RE/RG的比例在1/5和1/10之間。為了達到適當的限流效果，RE的選擇不應低于0.5Ω。

結 論  

TRENCHSTOP™ 5 IGBT，采用開爾文發射極設計的TO-247 4pin封裝與標準的TO-247封裝相比，在標稱電流下降低了20%的開關損耗。

參考文獻

本文選譯自英飛凌應用指南

TRENCHSTOP™ 5 IGBT in a Kelvin Emitter Configuration---Performance Comparison and Design Guidelines