2.2 技术概述：二极管
　　
　　当需要IGBT并联续流二极管应用时，将HS3-IGBT与2007年引入的发射极控制二极管的第4代结构组合[4]。它提供极佳的传导损耗，同时由于优化了垂直设计使IGBT的导通损耗减至最小。
　　
　　为进一步改进，对特定应用的分析表明，这些逆变器中的能量流动是单向的。从热学观点来讲，桥式逆变器中续流二极管产生最大应力的条件是在驱动起动或“制动”时，用-cosφ来表征。在这种负载情况下，二极管损耗的主要部分可以认定为传导损耗。当起动不算在应用范围时，二极管的热应力状态不严重，此时损耗的主要部分是开关损耗。对高频应用，它提供了新的优化机遇。
　　
　　应当指出，二极管的损耗由漂移区中过剩载流子传导的等离子体来决定。一方面，由于其高载流子密度才能保证低的传导损耗，但另一方面要二极管维持电压又必须从器件中将其抽走。而其电量（可用转换时反向恢复电荷Qrr来表示）的增加线性地小于电流密度的增加。因此，如果对给定的电流，采用较小面积的二极管使其在高电流密度下驱动的话，二极管的开关损耗和二极管引起IGBT导通损耗会减小。当然，要记住，二极管的传导损耗会随电流密度的增加而增加。
　　
　　在HS3产品系列中，所用二极管的尺寸小于Tenchstop2系列，以此来改善高频性能。图4直观地示出IKW40N120H3（为单向能流优化的二极管）和IKW40N120T20（适于起动模式）二极管参数的比较。
　　
　　
　　图4  将IKW40N120H3和IKW40N120T2置于双封装产品中的二极管，如对IKW40N120H3导通损耗的影响一样，比较了两者二极管的静态和动态特性。
　　
　　为提高系统效率而选择二极管获得的效益将在下面应用部分讨论。必须指出，增加二极管电流密度的理念只可能用第4代发射极控制二极管的优良坚韧度来实现。而由于不同的IGBT/二极管的面积比，较高的电流密度和较快的开关时间会增加动态应力。对二极管应力最好的量度是用二极管换向时产生的最大瞬态功耗Pdmax来表示。图5针对IKW40N120H3示出了第4代发射极控制二极管的特征性能。为得到这样的应力电平，需要附加条件：IGBT开关要维持在25°C，而二极管要加热到它的最高结温。但在高端-低端器件上，具有类似负载和损耗的实际应用中，开关和二极管的温度非常接近。因为两者在实验中有相同的冷却条件和共同的引线框架。为进一步提高IGBT开关速度，必须在非常低的栅电阻和超过最大定额的高栅压来驱动。在典型应用条件（Ugate=15V，额定电流下）栅压超过定额至少4成都未发现有破坏现象产生。
　　
　　
　　图5  二极管应力用峰值功耗Pdmax来度量。甚至在超过规格限度的条件下也未达到破坏区域。
　　
　　2.3 产品系列
　　
　　HSp3产品系列分为3个电流档次，都用TO247工业标准封装。所有的电流档次都有单个IGBT和同封装优化的二极管。其中25A电流档的主要参数与Trenchstop2、FastIGBT产品系列的比较示于图6。HSp3系列提供了高频相关电参数的重要改进。
　　
　　　
　　图6  HS3系列产品的IKW25N120H3与以前各档次产品IKW25N120T2、SKW25N120的静态和动态参数的比较。所有动态数据是在总线电压600V，栅电阻22.3Ω（IKW25N120H3的额定值）时给出。
　　
　　3  应用研究
　　
　　3.1 具有正弦电流输出的逆变器
　　
　　在许多应用中，电力电子系统的主要功能是将DC总线电压转换为正弦AC信号。在UPS应用的功能是，当断电时，其输出信号将立刻仿真和取代外电网。对太阳能发电系统，则是将光伏板面上产生的直流电转换为和电网特征相匹配的2相-3相交流信号，并把产生的电力高效地输入到电网中。
　　
　　广泛使用的拓扑是具有不同数量支路的桥式结构，其中的开关是用预期高于输出频率的恒定频率下驱动的，所要求的波形用脉宽调制（PWM）法产生。
　　
　　显然，整个逆变器的效率是设计的依据，因为它决定UPS的中间转换能力和太阳能发电的有效功率输出。有源元件（功率开关）和无源元件（磁元件）都会产生损耗。对于有源元件，由IGBT和二极管组成的单个开关产生的损耗很容易从组成的功率器件的静态和动态特性计算出来[5]，[6]。
　　
　　计算损耗的一个重要参数是负载特征，即产生输出信号的功率因数，用其电压和电流之间的相角φ的COS函数表示。