雜散電感對(duì)高效IGBT4逆變器設(shè)計(jì)的影響

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(guò)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(guò)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?？傊?，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%。

盡管在開通過(guò)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(guò)程中，它將增大IGBT的電壓過(guò)沖。將開通與關(guān)斷過(guò)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。

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(guò)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。

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(guò)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。

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(lái)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(guò)增加雜散電感或提高IGBT開通速度來(lái)降低開通損耗有所限制。

因此，未來(lái)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。

重要的是，為確保采用快速開關(guān)器件(如T4芯片)，必須對(duì)直流母線設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化。在高能效設(shè)計(jì)中，對(duì)于電感而言，越低越好是一個(gè)簡(jiǎn)單的原則。