为什么逆导型IGBT可以用于大功率CCM模式 PFC电路

品慧电子讯对于功率因数校正（PFC），通常使用升压转换器Boost拓扑结构。它可以最大限度地减少输入电流的谐波。同时IGBT是大功率PFC应用的最佳选择，如空调、加热、通风和空调（HVAC）以及热泵。

理论上，在连续导通模式（CCM）下，通过IGBT反向续流永远不会发生。然而，在轻负载或瞬态条件下，由于升压电感Lboost和IGBT的输出电容Coss之间的共振，会有反向电流流过。

这个谐振电流，iQN(t)是由以下公式给出的。

谐振期间IGBT两端的电压（VCE）可以得出：

当输入电压Vin低于输出电压的一半时（Vin<vout/2），开关管的电压VCE变为负值。如果没有与图1中升压PFC的IGBT并联的反向导电路径，这个负电压会出现在IGBT上。如果不考虑阻尼因素，在过零点附近的反向电压的大小理论上可以达到与输出电压Vout相同的量值。这对系统的长期可靠性来说是非常危险的，因为它不能保证反向电压被施加到IGBT上。

Figure 1. PFC circuit with boost converter topology

比较用于PFC应用的不同IGBT解决方案

通过测试比较TRENCHSTOP? 5 WR6 IGBT（IKWH30N65WR6）和TRENCHSTOP? IGBT3（IGW30N60H3）在CCM-boost PFC电路中的工作波形，证明了这种现象。IKWH30N65WR6包含一个集成在IGBT芯片中的反向导电的二极管，而后者的IGBT不包含反向导电的二极管。图2显示，对于IKWH30N65WR6，反向电压被钳位到接近零。在使用IGW30N60H3的情况下，反向电压最高达到-241V。因此，即使在PFC的CCM模式中，反向导电二极管对于确保系统的可靠性也是至关重要的。

然而，在这种情况下，对于短时间软的反向恢复电流，我们不需要一个高性能的续流二极管。在图2中，你可以看到IGBT的反向电流的峰值只有大约200毫安，持续时间为几微秒。

Without reverse conducting diode

With reverse conducting diode

Figure 2. Switching waveforms of IGBTs at turn-off transition in CCM PFC at light load condition

一般来说，逆导型RC IGBT不适合于需要硬换流的应用。然而，RC IGBT对一些硬换向应用非常有利，如PFC，其中IGBT的反向续流二极管不需要有良好的反向恢复性能。在这种应用中，当高性能的二极管是多余的时候，它们提供了一个更经济的选择。

用于升压PFC和逆变焊接应用的TRENCHSTOP? 5 WR6 IGBT

英飞凌最新的RC IGBT，如图3所示，是基于TRENCHSTOP? 5 WR6 IGBT技术，其中N+区被部分植入P集电极层，形成一个内在的P-N二极管。这使得反向电流可以流动，而不需要额外的续流二极管。

Figure 3. TRENCHSTOPTM 5 WR6 IGBT using a reverse-conducting (RC) IGBT concept

这种TRENCHSTOP? 5 WR6 IGBT非常适用于升压PFC和逆变焊接应用。根据目标应用优化漂移区的厚度和二极管的额定值，确保了额定电流下1.4V的最佳VCE(sat)，同时保持650V的额定电压。此外，由于其极低的少数载流子寿命，不会出现拖尾电流，这使得TRENCHSTOP? 5 WR6 IGBT能够实现60kHz甚至更高的开关频率。

当选择TRENCHSTOP? 5 WR6 IGBT用于不发生硬换流的PFC应用时，不需要担心逆导型IGBT中的二极管性能问题。有了这项技术，就有可能为您的下一个设计创造经济而可靠的系统。

参考资料

[1] E. M. Findlay and F. Udrea, “Reverse-Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor: A Review of Current Technologies,” in IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 66, no. 1, pp. 219-231, Jan. 2019.

[2] I. Sheikhian; N. Kaminski; S. Voss; W. Scholz; E. Herweg; “Optimization of the reverse conducting IGBT for zero‐voltage switching applications such as induction cookers” Volume8, Issue3 Special Issue: Power Semiconductor Devices and Integrated Circuit, May 2014 pp. 176-181

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