雜散電感對(duì)高效IGBT逆變器設(shè)計(jì)的影響 - 全文

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　　IGBT技術(shù)不能落后于應(yīng)用要求。因此，英飛凌推出了最新一代的IGBT芯片以滿足具體應(yīng)用的需求。與目前逆變器設(shè)計(jì)應(yīng)用功率或各自額定電流水平相關(guān)的開關(guān)速度和軟度要求是推動(dòng)這些不同型號(hào)器件優(yōu)化的主要?jiǎng)恿?。這些型號(hào)包括具備快速開關(guān)特性的T4芯片、具備軟開關(guān)特性的P4芯片和開關(guān)速度介于T4和P4之間的E4芯片。

　　表1簡(jiǎn)單介紹了IGBT的3個(gè)折衷點(diǎn)，并對(duì)相應(yīng)的電流范圍給出了建議。

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　　表1：英飛凌1200V IGBT簡(jiǎn)介。

　　IGBT和二極管的動(dòng)態(tài)損耗

　　為研究和比較這三款不同芯片在雜散電感從23nH到100nH時(shí)的開關(guān)損耗和軟度，我們選用了一種接近最優(yōu)化使用T4芯片的合理限值的模塊。因此，選擇一個(gè)采用常見的62mm封裝300A半橋配置作為平臺(tái)，而模塊則分別搭載了這三款I(lǐng)GBT芯片。

　　這三個(gè)模塊都采用了相同的高效發(fā)射極控制二極管和柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)置。圖1為實(shí)驗(yàn)設(shè)置。

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　　圖1：測(cè)試設(shè)置：為測(cè)試?yán)m(xù)流二極管的反向恢復(fù)特性，驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)IGBT，并將負(fù)載電感改為與低壓側(cè)二極管并聯(lián)。

　　圖2顯示了兩個(gè)不同雜散電感對(duì)配備IGBT-T4的300A半橋的開通波形的影響。

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　　圖2：T4的開通特性：上圖顯示的是針對(duì)兩個(gè)電感(Ls=23nH和Ls=100nH)的損耗/時(shí)間曲線;下圖顯示的是電壓和電流曲線。

　　當(dāng)電流升高后，更高的雜散電感Ls不僅可以增大器件端子的電感壓降(Δu=-L*di/dt)，而且還能影響電流上升速度di/dt本身。盡管寄生電感使導(dǎo)通速度減緩，但導(dǎo)通損耗卻大幅降低。

　　在該示例中，初始開關(guān)階段的損耗(見圖2中的時(shí)間戳a)隨著雜散電感的增大由30.4mW降至12mW。

　　開關(guān)事件第二階段的特點(diǎn)是二極管出現(xiàn)反向恢復(fù)電流峰值以及IGBT電壓進(jìn)一步下降。寄生電感的增大會(huì)導(dǎo)致反向恢復(fù)電流峰值的延遲，以及第二階段開關(guān)損耗的提高。

　　因此，就整個(gè)開關(guān)事件而言，寄生電感的增大可大幅降低開通損耗。在本例中，損耗由40mW降低至23.2mW。

　　眾所周知，雖然在開通過程中di/dt可降低IGBT的電壓，但在關(guān)斷過程中它也會(huì)增大IGBT的電壓過沖。因此，直流母線電感的增加會(huì)增大關(guān)斷損耗。如圖3所示，關(guān)斷的開關(guān)事件可分為兩個(gè)階段。

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　　圖3：小功率IGBT的關(guān)斷特性：上圖顯示的是損耗/時(shí)間的曲線(實(shí)線：L=23nH、虛線：L=100nH);下圖顯示的是電壓和電流曲線。

　　小電感和大電感設(shè)置的電流波形在時(shí)間戳b的位置交叉。在第一開關(guān)階段直到交叉點(diǎn)b，采用大電感設(shè)置升高的過壓會(huì)使損耗增至36.3mJ，而小電感設(shè)置的損耗為30.8mJ。不過，在b點(diǎn)之后，大電感設(shè)置會(huì)產(chǎn)生較短的電流拖尾，這樣該階段的損耗會(huì)比小電感設(shè)置的損耗低1.8mJ。這一結(jié)果主要受電流拖尾降低的影響，即更快速地達(dá)到10%的值。

　　隨著雜散電感的增大，IGBT的開通損耗會(huì)降低，二極管損耗則會(huì)增大(如圖4所示)。圖4顯示了在小電感和大電感條件下二極管恢復(fù)特性的對(duì)比。

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　　圖4：二極管恢復(fù)特性：上圖顯示的是針對(duì)兩個(gè)電感的損耗/時(shí)間曲線(實(shí)線：L=23nH、虛線：L=100nH)，下圖顯示的是電壓和電流曲線。

　　顯而易見，IGBT降低的di/dt幾乎對(duì)二極管換流開始階段的損耗沒有任何影響，因?yàn)槎O管電壓依然維持在零左右。在反向恢復(fù)峰值電流之后，更大雜散電感引起的二極管電壓升高決定并導(dǎo)致了額外的損耗。小電感和大電感設(shè)置的二極管拖尾電流中可再次看到交叉點(diǎn)c。更高的過壓使得c點(diǎn)之前的損耗從10.1mJ增至19.6mJ。與IGBT的情況一樣，增加的動(dòng)態(tài)過壓會(huì)導(dǎo)致c點(diǎn)之后的拖尾電流降低，大電感設(shè)置的損耗平衡將優(yōu)化4.4mJ。總之，第一開關(guān)階段起主導(dǎo)作用，二極管損耗隨著電感的增加從24.6mJ提高至29.7mJ，增幅為20%。

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　　表2：對(duì)英飛凌IGBT的折衷：在相同雜散電感和軟度條件下的關(guān)斷損耗。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總動(dòng)態(tài)損耗

　　盡管在開通過程中，di/dt與寄生電感的結(jié)合可降低IGBT的電壓，但在關(guān)斷過程中，它將增大IGBT的電壓過沖。將開通與關(guān)斷過程進(jìn)行左右對(duì)比，不難看出，在較大寄生電感時(shí)開通損耗的降度遠(yuǎn)高于關(guān)斷損耗的增幅。

　　如果考慮到最新溝槽柵場(chǎng)截止IGBT的關(guān)斷di/dt本質(zhì)上受器件動(dòng)態(tài)性能的制約，約為導(dǎo)通di/dt的一半，就可輕松理解這一趨勢(shì)。

　　在圖5中，對(duì)IGBT開通損耗、關(guān)斷損耗以及二極管換流損耗與三款I(lǐng)GBT的寄生直流母線雜散電感進(jìn)行了對(duì)比。

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　　圖5：開關(guān)損耗作為雜散電感Ls的函數(shù)，電感的增大將降低IGBT的開通損耗(左圖);IGBT的關(guān)斷損耗(右圖)和續(xù)流二極管關(guān)斷損耗會(huì)隨著電感的增大而升高。

　　IGBT和二極管的軟度和電流突變特性

　　前文已經(jīng)表明寄生電感可能對(duì)總體損耗平衡有益。但是雜散電感還可能導(dǎo)致振蕩，比如由電流突變引起的振蕩，這可能導(dǎo)致由于EMI或過壓限制而引起的器件使用受限。迄今為止所介紹的所有測(cè)量都是在對(duì)損耗至關(guān)重要的Tvj=150℃結(jié)溫條件下進(jìn)行的。電流突變?cè)诘蜏貤l件下更加關(guān)鍵，因?yàn)槠骷妮d流子注入隨著溫度的降低而減少，并大幅降低用于平滑拖尾電流的電荷。因此，圖6在25℃和600V直流母線電壓的條件下，對(duì)三款芯片在額定電流下的IGBT關(guān)斷情況進(jìn)行了比較。直流母線電感被作為一個(gè)參數(shù)使用。

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　　圖6：開關(guān)曲線作為三款I(lǐng)GBT雜散電感LSd的函數(shù)：T4(左)、E4(中)、P4(右);上圖為柵極電壓;下圖為電流和電壓曲線。

　　在給定的例子中，當(dāng)雜散電感約為55nH時(shí)，T4會(huì)變硬，振蕩開始發(fā)生。在相同條件下，直到直流母線電感達(dá)到約80nH，E4還依然保持了軟度。對(duì)于針對(duì)大功率而優(yōu)化的P4芯片而言，它在觀察到的電感范圍內(nèi)(20nH…100nH)都保持軟度。這種觀察結(jié)果并不出人意外，因?yàn)樵揑GBT是被設(shè)計(jì)用于高達(dá)3600A額定電流的大功率模塊。

　　盡管IGBT的電流突變趨勢(shì)通常在低溫和大電流下最為明顯，但續(xù)流二極管軟度通常在低溫和小電流下最為關(guān)鍵。這取決于幾個(gè)因素：因?yàn)槎O管是一個(gè)載流子生命周期優(yōu)化器件，等離子體密度在小電流下最低，因此拖尾電荷隨著電流水平的降低而減弱。此外，迫使二極管換向的開關(guān)IGBT通常在低電流水平下開關(guān)速度更快。最后，二極管過壓與開關(guān)電流沒有關(guān)系，而是由二極管的反向恢復(fù)電流峰值的負(fù)斜率導(dǎo)致的，該斜率在小電流和低溫下同樣最陡。

　　由于快速開關(guān)瞬變(du/dt和反向恢復(fù)di/dt)的影響，直流母線振蕩可以很容易地在低電流水平下觸發(fā)，甚至是在沒有二極管電流突變的情況下。圖7介紹了續(xù)流二極管在不同雜散電感條件下的反向恢復(fù)特性。

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　　圖7：二極管在室溫和1/10In條件下的恢復(fù)性能(針對(duì)不同LS的曲線)。

　　此時(shí)，低雜散電感可產(chǎn)品較高的諧振頻率，并且有助于抑制這種振蕩。當(dāng)然，如果大雜散電感使得二極管真的出現(xiàn)電流突變，情況會(huì)更糟。出于EMI的考慮，這將限制較高雜散電感的使用。

　　本文小結(jié)

　　當(dāng)工作在相同條件下，IGBT針對(duì)提高軟度需求的設(shè)計(jì)優(yōu)化將會(huì)付出開關(guān)損耗提高的代價(jià)。

　　除開關(guān)損耗外，開通和關(guān)斷速度、電流突變和振蕩(EMI)的發(fā)生也越來越受到重視。寄生雜散電感對(duì)直流母線諧振頻率和二極管電流突變起到了重要作用。至少?gòu)腅MI角度考慮，二極管電流突變將會(huì)對(duì)通過增加雜散電感或提高IGBT開通速度來降低開通損耗有所限制。

　　因此，未來有望推出IGBT的不同型號(hào)優(yōu)化產(chǎn)品。另一方面，考慮到直流母線電感是逆變器設(shè)計(jì)中的一個(gè)自由參數(shù)，這將有助于進(jìn)一步優(yōu)化損耗。