随着各应用领域对电机效率的日益重视，对高效驱动器的需求也日益增长。这些电机应用——例如电动汽车、水泵和风扇——正在推动电机驱动器的普及，以降低总体成本和能耗。因此，选择高效的电机驱动器并确保每个组件都满足特定应用的要求，变得至关重要。
绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 是一种成熟的开关器件解决方案，能够满足电机驱动应用中更高的电压、更大的电流和更低的频率要求。由于这些电机需要最大限度地提高效率，并且通常需要强大的安全工作区 (SOA) 和短路额定值，因此建议使用与快速恢复二极管(FRD) 共封装的 IGBT。
电机驱动设计中的IGBT
电机驱动设计通常由交流电源供电，并根据用户输入进行控制（图 1）。功率因数校正 (PFC) 整流器采用 IGBT 实现，类似于不间断电源 (UPS) 中使用的 IGBT。电机制动电路由 IGBT 组成，用于耗散电机功率或在电机停止时通过再生制动将多余的能量回馈到交流输入端。电机驱动逆变器将存储在电容器中的直流能量转换为指定电压和频率的交流波形，以控制电机达到所需的转速和扭矩。
图 1：带功率因数校正 (PFC) 输入整流器的典型电机驱动设计示意图。
为了确保电机驱动设计中各个部分的IGBT工作在额定安全工作区（SOA）内，必须有效地将热量从晶体管封装中散发出去。因此，设计人员应评估采用更小封装尺寸且散热能力更强的IGBT。例如，采用高效散热的TO-247封装的IGBT，能够有效散热，从而降低IGBT和FRD在开关瞬态和正向导通时产生的功率损耗。
在电机控制应用中，设计人员需要考虑在高环境温度和低气流或无气流条件下，功耗对系统性能的影响。此外，使用高效IGBT意味着它们产生的热量更少，从而降低了冷却需求。小型IGBT的其他优势还包括成本更低和热管理设计更简单。
开关和导通性能
IGBT的器件结构决定了其效率和性能。采用非对称结构的先进IGBT有助于降低电机控制应用中的导通损耗并提高开关速度。这种结构的关键特征是场阻断层，它由插入在n型漂移区下方和下p型掺杂层上方的n+缓冲层构成。该缓冲层能够支撑电场，并允许使用更薄的n型漂移区，从而显著降低导通损耗。
图 2 展示了开关损耗 (Eoff) 和导通损耗 (Vce(sat)) 之间的权衡关系。这说明了为什么了解低频和高频系统要求对于选择合适的 IGBT 至关重要。在许多新型应用中，采用先进沟槽栅极场阻 (TGFS) 技术的 IGBT 可提供更高的单元密度，从而改善 Vce(sat)/Eoff 性能。
采用先进TGFS技术的IGBT（例如Bourns公司的IGBT）可能会承受高应力，从而导致瞬态短路。这些短路可能导致直流母线到地（以直通电流的形式）或电机相间或到地之间形成短路路径。因此，所选的IGBT必须能够在应用所需的故障检测时间内承受这些故障。
电动机可以在相对较长的时间内（毫秒到秒级）消耗极高的电流；然而，电机驱动逆变器中常用的IGBT的短路耐受时间非常短（微秒级）。为了解决这个问题，像Bourns这样的供应商提供了具有10µs短路耐受能力的特定IGBT型号。
IGBT通常具有5µs左右的可靠短路耐受能力。高短路电流容限和更短的耐受时间带来的优势在于降低了导通损耗，从而有助于降低整体物料清单成本。IGBT技术的进步可以弥补其短路性能的一些不足。例如，一些最新的IGBT具有更高的跨导和更低的热阻，即使短路耐受时间有所缩短，也能降低导通损耗并提高效率。
评估IGBT的权衡取舍
选择高开关频率的IGBT以降低开关损耗通常会导致更高的导通损耗。此外，更高的导通损耗会导致更高的功耗，需要更大的散热器。这会增加系统成本并占用更多空间。相反，导通损耗更低的IGBT价格更高。损耗更低的器件在较低频率下工作效率更高，但其短路耐受能力通常较差。图3展示了这种权衡关系。
图 3：电机控制设计中导通损耗、开关损耗和短路耐受能力之间的权衡，并参考相关的安全工作区域。
安全操作区 (SOA) 注意事项
选择工作电流和电压接近其最大额定值的IGBT时，需要格外注意确保这些参数符合数据手册的规格。主要目标是在保证集电极-发射极电压保持在规定限值内的同时，将集电极电流保持在最大额定值以下。
在正向偏置安全工作区 (FBSOA) 内工作时，最大脉冲集电极电流取决于脉冲宽度和热阻抗。FBSOA 定义了最大饱和集电极-发射极电压。在反向偏置安全工作区 (RBSOA) 内工作时，最大集电极电流（通常适用于感性负载）受关断期间峰值集电极-发射极电压的限制。为了在最高结温下保护快速恢复二极管 (FRD)，必须严格遵守这些限制。
结论
在电机控制逆变器中使用IGBT有助于设计人员降低系统成本，因为IGBT芯片尺寸更小、电流密度更高。设计人员还应选择支持高温运行并提供更佳散热性能的先进IGBT 分立器件。最终，这将为电机控制应用提供高效的开关解决方案。
如前所述，优化效率需要平衡IGBT的导通损耗和开关损耗。此外，根据具体的电机类型和应用需求定制设计也至关重要。对于大多数电机控制应用而言，采用沟槽栅场截止（TGFS）技术并集成FRD的紧凑型TO-247封装的600V/650V IGBT被认为是理想的解决方案。SHY SEMI的明星产品完全能够满足上述要求。与上一代平面IGBT相比， SHY SEMI的IGBT器件具有更高的热性能、更低的VCE(sat)和更高的效率（这得益于更低的总功耗），同时还具有高可靠性。