IGBT適用于ZVS 還是 ZCS？

作者：伍堂順,王丹，文章來源： 英飛凌工業半導體微信公眾號

提到軟開關技術，大家耳熟能詳的有零電壓開通ZVS（Zero voltage switching） 和零電流關斷ZCS（Zero current switching），同時，尤其是在現在的電源產品中，絕大多數的采用軟開關拓撲的電源產品都選擇了ZVS，而不是ZCS，所以，Si MOSFET和SiC MOSFET一直是很多同學提到ZVS時想到的主要功率器件搭檔，而不是IGBT。

今天我就來嘮一嘮IGBT在軟開關拓撲中的應用，IGBT是否能用于ZVS以及IGBT是否更適用于ZCS。

長期以來，IGBT給人的印象就如農家樸實低調的老大哥，少有拋頭露臉，而MOSFET則宛如古靈精怪的小妹，處處都能見到。不過這也不足為怪，結合IGBT技術的升級迭代發展史（可以參考文章“英飛凌IGBT芯片簡史”），從史前時代的穿通（NPT）型IGBT，到初代盟主非穿通（NPT）型IGBT，最為人詬病的就是其拖尾電流，如圖一，作為雙極性器件，IGBT關斷時IGBT少子復合會產生拖尾電流，而且拖尾電流持續時間可以達到us級，而此時CE電端電壓已經上升到額定工作電壓，導致IGBT的關斷損耗比較大，所以，為了降低IGBT的關斷損耗，通常建議IGBT采用零電流關斷ZCS，這樣IGBT的關斷損耗近似零，所以，在這個歷史時間點，這個建議是沒毛病的。

圖一 IGBT的拖尾電流

但是，IGBT技術也一直在進步，溝槽柵-場終止（Trench FS）型IGBT的出現，從平面柵變為溝槽柵，增加了電場終止層，保持了IGBT載流子濃度均勻分布，如圖二，盡可能的降低了通態損耗，同時，關斷時形成拖尾電流的載流子數量也越來越少，甚至幾乎沒有拖尾電流，持續時間也僅為ns級，表現出硬關斷（snappy turn-off）特性，也就是說IGBT的關斷損耗中拖尾電流導致的損耗占比也急劇降低。

圖二 不同IGBT技術中載流子濃度分配

至此，可以肯定的講，IGBT也是可以用于ZVS的，而且還得到了廣泛應用。2006年，Pavlovsky在IEEE發表了一篇論文[1]，在一臺50KW的測試平臺上，得到了IGBT在ZVS，準ZCS條件下的損耗以及效率，最高效率達到了97%。

圖三 50 KW test ZVS, Quasi-ZCS converter

以大家熟知的感應加熱應用為例，比如電磁爐，無論是單端的拓撲還是半橋拓撲，都采用了ZVS的軟開關控制，從圖六的IGBT驅動電壓VGE, 集電極-發射極電壓VCE以及電流ICE波形可以明確的看到，在VGE變為高電平之前，VCE已經提前降低到IGBT的體二極管正向導通壓降，這是典型的零電壓開通ZVS，并且IGBT開通之前，ICE電流是反向的，這都是開關管實現ZVS的必要條件。

作為功率半導體行業的重要一員，英飛凌的可以用于感應加熱的明星IGBT型號有IHW20N135R5 (單端)，和IHW40N65R6（半橋），英飛凌官網上也有一塊半橋拓撲的感應加熱評估板，EVAL-IHW65R62EDS06J，感興趣的同學可以去溜達看看。

圖四 電磁爐典型應用場景

圖五 單端電磁爐拓撲（并聯諧振）

圖六 單端電磁爐IGBT的VGE 、VCE 、ICE（并聯諧振）

圖七 英飛凌感應加熱評估板EVAL-IHW65R62EDS06J

圖八 半橋感應加熱評估板IGBT的

當然，IGBT能應用的ZVS拓撲怎么能少的了LLC呢，IGBT不光可以用于LLC拓撲，還同樣能實現大功率的輸出，各位可以找找2021年中車時代電氣工程師張小勇發表的論文[2]，“LLC諧振變換器中IGBT的死區時間分析及優化設計”，采用IGBT搭建了60KW的LLC變換器，如圖九和圖十，解決了IGBT輸出電容的非線性變化導致的死區時間設置困難的問題，有助于推動LLC諧振軟開關技術在大功率變流器中實現廣泛應用。

圖九 LLC拓撲

圖十 LLC變換器穩態工作波形

另外，也有聲音說，IGBT的開通、關斷太慢，只適合低頻比如20kHz左右的開關頻率，各位，如果真那么想，你就out了，英飛凌的第5代IGBT甚至可以支持高達100kHz的開關頻率，比如IKW40N65F5，欲知詳情，請點擊登陸英飛凌官網。

參考文獻

[1]. M. Pavlovsky;S.W.H. de Haan;J.A. Ferreira,“Evaluation_of_IGBT_modules_and_their_suitability_for_ZVS_quasi-ZCS_converter_topologies”Twenty-First Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2006. APEC '06.

[2]. 張小勇， 張慶， 饒沛南， 等，LLC諧振變換器中IGBT的死區時間分析及優化設計[J]，機車電傳動，2021,3:113-117.

審核編輯 黃宇