对需求输出过滤器或升压/降压按捺的运用来说，较高的切换频率可为整个体系带来优点，像太阳能变频器便是一起兼具两者的运用。太阳能变频器具有最好的功率及功率密度，一起也承受着高本钱压力。高速绝缘闸双极晶体管(High Speed IGBT)已针对高频率硬切换运用优化，因而，该零件为太阳能运用中功率模块的抱负挑选。
本文将阐明650伏特(V)IGBT3、650V IGBT4及650V高速IGBT–HS3 IGBT三者运用在功率模块上的差异。成果显现，根据设备规划，650V HS3 IGBT将能供给最抱负的效能，用做高功率的切换开关。
对阻断电压介于600~1,200V的现代IGBT而言，沟槽场截止(Trench-Field-Stop)技能是最常见的概念。这项技能一方面可让设备履行低导通电压及软切换，另一方面可下降切换损耗并供给高频率运用，相似金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)的切换效能。
沟槽场截止下降IGBT静态损耗
搭载这项技能的组件效能首要由晶格尺度、芯片厚度及掺杂散布等规划参数操控。规划人员透过调整这些参数，便能让组件在漂移区的高载子密度添加。此类组件供给低VCE(sat)，下降静态损耗;于关断期间，高载子密度会减慢组件铲除速度，添加动态损耗。因而，IGBT除了可用于太阳能变频器或升压器之类需求低动态损耗组件的高频率运用，也适用在需求低静态损耗的低频率运用。
具低封闭损耗 HS3 IGBT合适高频运用
丈量时运用50安培(A)额外集极电流的650V IGBT3、650V IGBT4及650V HS3 IGBT，透过丈量切换损耗来决议芯片的电子效能。丈量时，将每个芯片整合在具有相同电路及17奈亨(nH)杂散电感的EasyPACK 2B功率模块。由于导通损耗EON首要受运用的飞轮二极管影响，一切芯片在运作时皆运用额外电流IF=30A的650V射极操控二极管。
除非另行指定，一切丈量均在实验室中依下列条件进行：选用整合式电流探针且杂散电感为Lσ=25nH;直流链接电压设为VDC=400V，契合一般运用电压，芯片以IC=50A的额外集极电流运作;IGBT驱动运用闸射极电压VGE=±15V。一切丈量均在Tvj=25℃下履行。
芯片的切换运作皆在上述设定下丈量，从注册及关断波形中撷取出对应的动力和特性切换参数。
图1显现HS3 IGBT、IGBT3及IGBT4在相同切换参数下的切换损耗。于注册及关断时别离到达di/dt=1.5千安培(kA)/微秒(μs)和dv/dt=4.5千伏特(kV)/μs的条件设定RG。HS3 IGBT具有最低的切换损耗EON及EOFF，且加总的Etotal不及IGBT3的一半。图1中插图显现HS3 IGBT的EON和di/dt与RG的联系，RG升高时，EON升高，而di/dt下降;尤其在RG<20奥姆(Ω)时，可到达di/dt>1kA/μs，而较高的RG将使di/dt低于0.5kA/μs。
图1 针对HS3 IGBT、IGBT3和IGBT4，注册时在相同的di/dt下，关断时在相同的dv/dt下，EON、EOFF和Etotal的切换能量比较。上方插图为HS3 IGBT的EON和di/dt与RG的相关。
HS3具有低封闭损耗，表明其切换效能优异。因而，HS3 IGBT最合适高频率运用，其藉由权衡EOFF和VCE(sat)，可供给低动态损耗。由于HS3 IGBT运用高闸极电阻，使其具有高导通损耗，一起带来极低的di/dt。为补偿此特性，有必要大幅下降导通闸极电阻，其间一种可行的实作办法是运用较为精密的闸极驱动规划，让HS3 IGBT可用做十分高功率的切换开关。
RG设定影响HS3 IGBT切换效能
前文显现HS3 IGBT在高频率运用上大幅逾越IGBT3及IGBT4，接下来要丈量的是HS3 IGBT在操作条件下的效能。在一般的太阳能变频器操作条件下，HS3 IGBT大部分将以低于额外芯片电流的集极电流运作;此外，直流链接电压或许会随广泛的电压规模改变。因而，以下将剖析HS3 IGBT在150~450V的直流链接电压规模，以及集极电流到达额外芯片电流下的切换损耗。
丈量时，闸极驱动电路运用RG=15Ω。图2显现HS3 IGBT切换损耗与直流链接电压的相关，当VDC较低时EOFF也较低，且会跟着VDC进步呈线性添加，而较高的集极电流则会进步关断损耗;相较之下，可发现EON的进步与VDC和IC不成比例，在IC=10A时，EON相对于VDC的斜率简直为稳定;在IC=30和50A时，可发现VDC≧300V时的斜率变大。在插图中，非等比例的进步也相同发生在Etotal。
图2 HS3 IGBT切换能量EON和EOFF与直流链接电压在IC = 10、30和50A的联系。上方插图为HS3 IGBT的Etotal与直流链接电压IC = 10、30和50A的联系。
这些丈量显现，相较于导通损耗，HS3 IGBT的关断损耗对设备效能的影响极为细微，当VDC≧300V，IC≧30A时，导通损耗非等比例的进步，可在低集极电流下得到最高功率;较大的VDC和%&&&&&%会进步导通损耗，与di/dt下降有所相关。此效应为HS3 IGBT的特性，且和设备规划有关。要补偿此效应的办法之一，便是下降RG，从而下降软化度(Softness)。
运用高切换速度的设备时，随同运用而来的需求之一，便是有必要下降设定中的杂散电感。因而，模块及设定两者都有必要供给低电感，以防止寄生效应。与杂散电感严密相关的两个常见效应包含集射极的过电压峰值VPeak，以及关断和注册期间集射极电压下降导致的切换损耗下降。图3显现在相同的切换参数，VDC=400V，di/dt=1.5kA/μs和dv/dt=7.2kV/μs，及VDC=300V，di/dt=1.6kA/μs和dv/dt=6.0kV/μs下，HS3 IGBT的切换损耗和过电压峰值相对于设定的杂散电感。进步Lσ时，关断能量会略微进步，而注册能量则会大幅下降，因而，进步Lσ将会下降总切换能量，这个一般性趋势与直流链接电压无关;另一方面，较高的Lσ将使VPeak进步，因而运用的直流链接电压将受到约束。对策之一便是进步RG以下降切换速度，但这样却会进步切换损耗。
图3 HS3 IGBT切换能量EON和EOFF及VPeak与VDC = 300和400V杂散电感的联系。上方插图为HS3 IGBT的Etotal与杂散电感VDC = 300和400V的联系。
进步设定的杂散电感可下降IGBT的Etotal，由于下降EON的影响远高于进步EOFF。由设定或二极管剧变的谐振频率所导致的振动等寄生效应，将发生电磁搅扰，这也有必要在运用中加以考虑。
HS3 IGBT具有低损耗/高输出电流
为剖析不同切换频率的设备效能，运用IPOSIM仿真变频器效能。为了可以进行比较，图1所示的HS3 IGBT和IGBT3的动态损耗也考虑在内。在模仿中，核算出输出功率4千伏安(kVA)的单相H型电桥的输出电流，并考虑以下的操作条件：输出电流IOUT设为17.4ARMS，功率因子运用1.0;此外，调变指数为0.8，直流链接电压为400V。这两款设备运用相同的热情况，将散热片温度固定在80℃。
图4显现H桥变频器在上述操作条件下模仿的半导体功率损耗PLosses。从H桥变频器的剖析显现，IGBT3的静态损耗只要HS3 IGBT静态损耗的70%;进步切换频率f时，动态损耗变得很明显，在f=7.5kHz时，HS3 IGBT的全体损耗等于IGBT3的全体损耗，如图4星号部分显现;当进一步进步切换频率时，此效应更为明显，并且可清楚发现HS3 IGBT的优点在高切换频率下更为明显。
图4 左边：HS3 IGBT和IGBT3在H桥变频器拓扑的模仿半导体功率损耗与切换频率的联系。模仿的功率损耗为H桥变频器的功率损耗，而非单一芯片;右侧：HS3 IGBT和IGBT3最高可到达的输出电流与切换频率的联系。
图4右侧显现最高可到达的输出电流，核算时运用了上述的操作条件，其间IOUT不是固定值，会受设备最高接面温度约束;当进步频率时，IOUT随之下降，在低切换频率时，IGBT3的最高输出电流高于HS3 IGBT;在f?7.5kHz时，HS3 IGBT的输出电流高于IGBT3的输出电流。HS3 IGBT和IGBT3两者IOUT的差异，在较高的切换频率下更为明显。
闸极驱动规划发挥HS3 IGBT效能
本文提出HS3 IGBT、IGBT3和IGBT4的比较，傍边显现HS3 IGBT的切换损耗少了两倍，在高频率运用的效能上大幅逾越IGBT3及IGBT4。为了能善加发挥HS3 IGBT的切换效能，需求有针对运用优化的操作形式。因而，有必要细心考虑操作电流和闸极电阻，针对后者，其间一种或许的办法便是运用更为精密的闸极驱动规划。
HS3 IGBT是经济实惠的高功率切换开关，合适用在太阳能变频器或不断电体系(UPS)之类的高频率硬切换运用。仿真的成果也支撑这些发现，一起显现HS3 IGBT合适在操作切换频率超越7.5kHz的运用中，作为最新型的切换开关运用。
