IGBT器件为什么成为大功率电力电子技术中的首选器件

进入二十一世纪以来，以大规模风力发电、太阳能发电为代表的新能源是我国未来能源结构调整的重点发展方向，而传统的交流输电和直流输电技术已经难以满足以大规模风电和太阳能发电安全可靠接入电网的迫切需求。而基于高压大功率电力电子技术的灵活交流输电和高压直流输电是未来智能电网实现各种大规模新能源的安全高效的接入电网的核心技术之一。

在新一代高压大功率可关断电力电子器件中，由于IGBT器件的优越的门极控制功能、较低的通态损耗和电压电流参数的迅速提高，使得IGBT器件已成为大功率电力电子技术中的首选器件。IGBT能够实现节能减排，并提高电力的利用效率，具有很好的环境保护效益，被公认为电力电子技术第三次革命最具代表性的产品，是未来应用发展的必然方向。

不过，随着lGBT的应用日益广泛，人们对其性能的要求也越来越高，一方面，为了提高工作频率，降低系统噪声。IGBT的开关速度应越快越好，另一方面，为了在不増大散热片尺寸的情况下IGBT的功耗又必须足够低。此外，电力系统应用中，IGBT的特性必须非常稳定，保证电力的安全、可靠、稳定的运行。近几年来，芯片技术不断改进，一代又一代高性能的IGBT及IGBT模块层出不穷，尽管如此，IGBT的功耗还没有降到用户满意的程度，特性还是不够稳定。

在这种情况下，针对电力系统的特殊特点和需求，进行IGBT与快恢复二极管匹配技术的研究可以解决现阶段降低能耗、增加系统的稳定性与可靠性、减少射频与电磁干扰等问题。IGBT与快恢复二极管匹配技术不仅可以从芯片级提出相应的设计参数，还可以从模块级、装置缀、系统级提出对器件相应的参数，以用于改善整个系统的性能，比如针对IGBT的串联需求对IGBT压接式模块进行lGBT与FRD的匹配研究。

IGBT的产品系列中，有一类是内置了快速恢复二极管(简称“FRD”)。在逆变器和电机驱动等IGBT的应用场合，这种二极管被用作开关过程中产生的反向电流的通道，被称为“续流二极管”，通常采用“FRD”。为了满足IGBT与FRD的配套使用需求，市场上提供了内置FRD的IGBT产品。

通常可以在其技术规格书中找到明确标注。此外，该产品的引脚配置图也会显示FRD是内置的。不仅如此，技术规格书还会详细列出IGBT以及内置FRD的各项规格。

快恢复二极管(Fast Recovery Diode，简称FRD)是一种具有快速反向恢复特性的半导体器件，采用PIN结构设计以减少存储电荷，使反向恢复时间可缩短至几十纳秒至数百纳秒 [1-2]。其核心参数包括正向压降(0.4V-1.1V)、反向击穿电压(可达数千伏)及反向恢复电荷(Qrr)，主要封装形式涵盖TO-220、TO-3P等 [2-3]。该器件通过优化掺杂工艺、采用宽禁带半导体材料(如碳化硅、氮化镓)及新型结构设计(超级结、沟槽结构)，实现低导通损耗与高耐压能力 [1-2]。在选型时需根据电路工作电压、电流及开关频率匹配反向恢复时间(trr)，并预留20%-30%的电压电流裕量 [2]。主要应用于开关电源整流、PWM脉宽调制、变频器续流及光伏逆变器等领域，通过减少反向恢复电流持续时间与幅值提升电路效率 [1] [3]。高频工况下需综合考虑正向导通损耗与反向恢复损耗，其功耗计算公式为PD=Pon+Psw-off(其中Psw-off≈Vr×Irrm×trr×fsw/2) [2]。

由于内置了FRD，IGBT的优势在于减少了元器件数量和安装面积，从而提升了整体可靠性。在逆变器和电机驱动等应用场合，续流二极管的高速特性至关重要，特别是其反向恢复时间trr。开关过程中的开通损耗主要受到反向恢复电流的影响，因此，为了降低这一损耗，需要采用具有高速trr特性的FRD。同样，这也适用于内置于IGBT中的FRD。

内置FRD的振铃现象

由于FRD的trr速度极快，导致反向恢复电流急剧收缩，进而引发振铃(噪声)问题，这在电磁兼容性(EMC)方面显得尤为突出。因此，对FRD的要求是，其反向恢复特性需具备trr短且能够平滑收敛的特点，即所谓的“软恢复型”产品。为了更直观地展示这一差异，我们对比了内置软恢复型FRD的RGS系列和RGT系列IGBT与内置普通FRD的IGBT的FRD反向恢复特性。

RGS系列与RGT系列IGBT所内置的FRD，展现出了出色的软恢复特性。即便在高达di/dt=1000A/μs的快速开关速度下，其反向恢复电流仍能迅速且平滑地收敛，未出现振铃现象，即使在Tj=125℃的高温环境下也依旧保持稳定。相较之下，普通IGBT产品则明显出现了振铃问题。

虽然内置FRD的IGBT为用户带来了极大的便利，但在选择和使用时，务必仔细核查其内置FRD的反向恢复特性。这是至关重要的环节，因为系统在高电压和大电流环境下可能产生的振铃和浪涌对电磁兼容性(EMC)构成重大威胁

快恢复二极管模块是电力电子领域中常用的一种功率器件，在众多电子设备和电力系统中发挥着关键作用。要深入了解快恢复二极管模块，掌握其特点是至关重要的，这些特点决定了它在不同应用场景中的适用性和优势。

快恢复二极管模块最显著的特点之一就是其快速的恢复特性。在电路中，二极管从导通状态转换到截止状态时，会经历一个反向恢复过程。普通二极管的反向恢复时间较长，这在高频电路中会产生较大的损耗和干扰。而快恢复二极管模块通过特殊的制造工艺和结构设计，大大缩短了反向恢复时间。一般来说，其反向恢复时间可控制在几十纳秒到几百纳秒之间，相较于普通二极管有了数量级的提升。这种快速恢复特性使得快恢复二极管模块在高频开关电源、高频整流电路等应用中能够有效地减少开关损耗，提高电路的效率和性能。例如，在开关电源中，快速的恢复时间可以让二极管在开关管关断时迅速截止，减少反向电流的持续时间，从而降低功率损耗，提高电源的转换效率。

快恢复二极管模块通常具备较高的耐压能力。在许多电力电子应用中，电路需要承受较高的电压，如工业电机驱动、电力传输与分配等领域。快恢复二极管模块能够承受从几百伏到数千伏的电压，满足不同电压等级电路的需求。这一特性使得它可以应用于各种高压环境中，保证电路的稳定运行。以工业电机驱动系统为例，电机在启动和停止过程中会产生较高的反电动势，快恢复二极管模块凭借其高耐压能力，可以有效地保护电路中的其他元件免受过高电压的冲击，确保系统的可靠性。

除了高耐压能力，快恢复二极管模块还具有大电流处理能力。在一些功率较大的电路中，需要二极管能够通过较大的电流。快恢复二极管模块通过优化芯片尺寸、电极结构等设计，能够实现较大的额定电流。常见的快恢复二极管模块额定电流范围可以从几安培到几百安培不等，这使得它能够满足不同功率等级电路的需求。例如在电动汽车的充电系统中，由于充电功率较大，需要能够承受大电流的二极管来实现高效的整流和功率转换，快恢复二极管模块的大电流处理能力就很好地满足了这一需求。正向压降是二极管在导通状态下两端的电压降。快恢复二极管模块具有较低的正向压降，这意味着在电流通过时，其功率损耗相对较小。较低的正向压降可以减少电路中的能量损失，提高系统的效率。在一些对功耗要求较高的应用中，如通信电源、服务器电源等，低正向压降的特性尤为重要。以通信基站的电源模块为例，大量的二极管在工作过程中，如果正向压降较高，将会产生较大的功耗，不仅浪费能源，还会导致设备发热严重，影响设备的稳定性和寿命。而快恢复二极管模块的低正向压降特性有效地解决了这一问题，降低了系统的功耗，提高了能源利用率。

快恢复二极管模块在不同的温度环境下能够保持较为稳定的性能，具有良好的温度特性。在高温环境中，其反向电流的增加相对较小，耐压能力和恢复特性也不会受到太大影响。而在低温环境下，它依然能够保持快速的恢复速度和较低的正向压降。这种良好的温度特性使得快恢复二极管模块可以在各种恶劣的温度条件下正常工作。例如在航空航天、汽车电子等领域，设备需要在极端温度环境下运行，快恢复二极管模块的良好温度特性能够确保电路在高温、低温等复杂环境下可靠工作，保障系统的稳定性和性能。

在电路启动瞬间，往往会产生较大的浪涌电流，这对二极管等元件是一个严峻的考验。快恢复二极管模块具备较强的抗浪涌电流能力，能够承受比额定电流大几倍甚至几十倍的浪涌电流冲击而不损坏。这一特性确保了模块在电路启动时的可靠性，减少了因浪涌电流过大而导致元件损坏的风险。例如在一些大型电力设备启动时，会产生巨大的浪涌电流，快恢复二极管模块凭借其强大的抗浪涌电流能力，可以安全地应对这种情况，保证设备的正常启动和运行。