雜散電感對高效IGBT4逆變器設(shè)計的影響

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這些不同型號器件優(yōu)化的主要動力。這些型號包括具備快速開關(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簡單介紹了IGBT的3個折衷點，并對相應(yīng)的電流范圍給出了建議。

IGBT和二極管的動態(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，選擇一個采用常見的62mm封裝300A半橋配置作為平臺，而模塊則分別搭載了這三款I(lǐng)GBT芯片。

這三個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)動設(shè)置。圖1為實驗設(shè)置。

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

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是二極管出現(xiàn)反向恢復(fù)電流峰值以及IGBT電壓進一步下降。寄生電感的增大會導(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)斷過程中它也會增大IGBT的電壓過沖。因此，直流母線電感的增加會增大關(guān)斷損耗。如圖3所示，關(guān)斷的開關(guān)事件可分為兩個階段。

小電感和大電感設(shè)置的電流波形在時間戳b的位置交叉。在第一開關(guān)階段直到交叉點b，采用大電感設(shè)置升高的過壓會使損耗增至36.3mJ，而小電感設(shè)置的損耗為30.8mJ。不過，在b點之后，大電感設(shè)置會產(chǎn)生較短的電流拖尾，這樣該階段的損耗會比小電感設(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，即更快速地達到10%的值。

隨著雜散電感的增大，IGBT的開通損耗會降低，二極管損耗則會增大(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)特性的對比。