IGBT适用于ZVS 还是 ZCS？

作者：伍堂顺,王丹

提到软开关技术，大家耳熟能详的有零电压开通ZVS（Zero voltage switching） 和零电流关断ZCS（Zero current switching），同时，尤其是在现在的电源产品中，绝大多数的采用软开关拓扑的电源产品都选择了ZVS，而不是ZCS，所以，Si MOSFET和SiC MOSFET一直是很多同学提到ZVS时想到的主要功率器件搭档，而不是IGBT。

今天我就来唠一唠IGBT在软开关拓扑中的应用，IGBT是否能用于ZVS以及IGBT是否更适用于ZCS。

长期以来，IGBT给人的印象就如农家朴实低调的老大哥，少有抛头露脸，而MOSFET则宛如古灵精怪的小妹，处处都能见到。不过这也不足为怪，结合IGBT技术的升级迭代发展史（可以参考文章“英飞凌IGBT芯片简史”），从史前时代的穿通（NPT）型IGBT，到初代盟主非穿通（NPT）型IGBT，最为人诟病的就是其拖尾电流，如图一，作为双极性器件，IGBT关断时IGBT少子复合会产生拖尾电流，而且拖尾电流持续时间可以达到us级，而此时CE电端电压已经上升到额定工作电压，导致IGBT的关断损耗比较大，所以，为了降低IGBT的关断损耗，通常建议IGBT采用零电流关断ZCS，这样IGBT的关断损耗近似零，所以，在这个历史时间点，这个建议是没毛病的。

图一 IGBT的拖尾电流

但是，IGBT技术也一直在进步，沟槽栅-场终止（Trench FS）型IGBT的出现，从平面栅变为沟槽栅，增加了电场终止层，保持了IGBT载流子浓度均匀分布，如图二，尽可能的降低了通态损耗，同时，关断时形成拖尾电流的载流子数量也越来越少，甚至几乎没有拖尾电流，持续时间也仅为ns级，表现出硬关断（snappy turn-off）特性，也就是说IGBT的关断损耗中拖尾电流导致的损耗占比也急剧降低。

图二 不同IGBT技术中载流子浓度分配

至此，可以肯定的讲，IGBT也是可以用于ZVS的，而且还得到了广泛应用。2006年，Pavlovsky在IEEE发表了一篇论文[1]，在一台50KW的测试平台上，得到了IGBT在ZVS，准ZCS条件下的损耗以及效率，最高效率达到了97%。

图三 50 KW test ZVS, Quasi-ZCS converter

以大家熟知的感应加热应用为例，比如电磁炉，无论是单端的拓扑还是半桥拓扑，都采用了ZVS的软开关控制，从图六的IGBT驱动电压VGE, 集电极-发射极电压VCE以及电流ICE波形可以明确的看到，在VGE变为高电平之前，VCE已经提前降低到IGBT的体二极管正向导通压降，这是典型的零电压开通ZVS，并且IGBT开通之前，ICE电流是反向的，这都是开关管实现ZVS的必要条件。

作为功率半导体行业的重要一员，英飞凌的可以用于感应加热的明星IGBT型号有IHW20N135R5 (单端)，和IHW40N65R6（半桥），英飞凌官网上也有一块半桥拓扑的感应加热评估板，EVAL-IHW65R62EDS06J，感兴趣的同学可以去溜达看看。

图四 电磁炉典型应用场景



图五 单端电磁炉拓扑（并联谐振）


图六 单端电磁炉IGBT的VGE 、VCE 、ICE（并联谐振）


图七 英飞凌感应加热评估板EVAL-IHW65R62EDS06J


图八 半桥感应加热评估板IGBT的

当然，IGBT能应用的ZVS拓扑怎么能少的了LLC呢，IGBT不光可以用于LLC拓扑，还同样能实现大功率的输出，各位可以找找2021年中车时代电气工程师张小勇发表的论文[2]，“LLC谐振变换器中IGBT的死区时间分析及优化设计”，采用IGBT搭建了60KW的LLC变换器，如图九和图十，解决了IGBT输出电容的非线性变化导致的死区时间设置困难的问题，有助于推动LLC谐振软开关技术在大功率变流器中实现广泛应用。

图九 LLC拓扑


图十 LLC变换器稳态工作波形

另外，也有声音说，IGBT的开通、关断太慢，只适合低频比如20kHz左右的开关频率，各位，如果真那么想，你就out了，英飞凌的第5代IGBT甚至可以支持高达100kHz的开关频率，比如IKW40N65F5，欲知详情，请点击登陆英飞凌官网。

参考文献

[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]. 张小勇， 张庆， 饶沛南， 等，LLC谐振变换器中IGBT的死区时间分析及优化设计[J]，机车电传动，2021,3:113-117.