IGBT模塊：技術(shù)、驅(qū)動和應(yīng)用課件：實際應(yīng)用中的開關(guān)特性

IGBT模塊：技術(shù)、驅(qū)動和應(yīng)用實際應(yīng)用中的開關(guān)特性IGBTModules–Technologies,DriverandApplication1IGBTModules–Technologies,DriverandApplication目錄31245簡介IGBT的控制電壓最小開通時間死區(qū)開關(guān)速度67短路關(guān)斷雜散電感的影響8安全工作區(qū)9IGBT的反向阻斷電壓2目錄121011集成碳化硅續(xù)流二極管的硅IGBT降載開關(guān)和（準(zhǔn)）諧振開關(guān)小結(jié)IGBTModules–Technologies,DriverandApplication3IGBTModules–Technologies,DriverandApplication簡介實際應(yīng)用中，IGBT及其二極管的開關(guān)特性與數(shù)據(jù)手冊描述的特性會存在一定的差異。所以，需要遵守一定的規(guī)則以降低功率器件不必要的應(yīng)力，保護其不被損壞。4

柵—射極UGE

高于閾值電壓，

IGBT

開通

UGE

越高，集電極電流IC就越大，同時飽和壓降

UGEsat

越低

飽和壓降影響通態(tài)損耗

高柵—射極電壓在短路時導(dǎo)致大短路電流因此，在應(yīng)用是需要在通態(tài)損耗和故障時的最大短路電流之間折中IGBT的控制電壓IGBTModules–Technologies,DriverandApplication正電壓控制數(shù)據(jù)手冊中其典型值為15V，一般不應(yīng)該超過20V，否則短路時可能產(chǎn)生危險的大電流。5IGBT的控制電壓所需的驅(qū)動功率低驅(qū)動IC的限制產(chǎn)生柵極負(fù)電壓的同時節(jié)約電源功率IGBTModules–Technologies,DriverandApplication負(fù)電壓控制或0V關(guān)斷數(shù)據(jù)手冊中的典型值值為-15V；實際情況中關(guān)斷電壓可選-15～0V；應(yīng)用場合常常選用-10V～-5V。6密勒電容效應(yīng)導(dǎo)致寄生開通，產(chǎn)生的原因在于集

電極

和發(fā)射極之間的電壓變化率duCE/dt發(fā)射極的雜散電感也會引起寄生開通，產(chǎn)生的原因在

于負(fù)載電流的變化率diL/dtIGBTModules–Technologies,DriverandApplication小功率電力電子裝置常用0V關(guān)斷，但是會產(chǎn)生寄生開通的問題，所以需要折中考慮成本和寄生開通問題。寄生開通：指被關(guān)斷的IGBT再次短時間開通的過程。IGBT的控制電壓導(dǎo)致IGBT誤開通的原因：7圖a)有兩個明顯的集電極峰值電流。第一個是二極管的反向恢復(fù)電流造成的第二個是VT2的瞬時開通導(dǎo)致的IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationUGE分別為0V和-9V關(guān)斷時的寄生開通的對比實驗IGBT的控制電壓a)開通VT1

b)開通VT1

100ns/DIV解決措施：負(fù)電壓關(guān)斷寄生開通8IGBT的控制電壓注意：0~-15V關(guān)斷電壓也會影響IGBT開關(guān)時間IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationIGBT開關(guān)特性與門極控制電壓UGE之間的關(guān)系（1.2kVIGBT）寄生開通500ns/DIV9驅(qū)動器的控制電壓寄生開通：密勒電容IGBTModules–Technologies,DriverandApplication10IGBT的控制電壓

IGBTModules–Technologies,DriverandApplication

11最小開通時間IGBTModules–Technologies,DriverandApplication模塊在不同負(fù)載電流和開通時間的電壓過沖Trench-FSIGBT1.2kV/450A1.7kV/450A開通時間越短導(dǎo)致電壓過沖越大小的開通時間導(dǎo)致振蕩12最小開通時間450A/1.2kVTrench-FSIGBT模塊IGBTModules–Technologies,DriverandApplication

振蕩13死區(qū)時間

關(guān)斷延遲時間td(off)開通延遲時間td(on)下降時間tf驅(qū)動信號的傳輸延遲時間死區(qū)時間計算：IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationIGBT驅(qū)動器14死區(qū)時間根據(jù)數(shù)據(jù)手冊計算最小死區(qū)時間tDT的示例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication15開關(guān)速度√開通速度只受續(xù)流二極管換流的限制(SiC續(xù)流二極管除外)√關(guān)斷過程的限制因素是IGBT的阻斷能力（電壓等級）IGBTModules–Technologies,DriverandApplication16開關(guān)速度可以計算關(guān)斷時的最大電流變化率：分別考慮額定電流和過載電流，理論關(guān)斷時間為：且IGBTModules–Technologies,DriverandApplication

17短路關(guān)斷SC1短路，IGBT開通前已經(jīng)發(fā)生短路SC2短路，IGBT開通后發(fā)生短路實際短路電流常常超過IGBT數(shù)據(jù)手冊中標(biāo)注的短路電流ISC

最大結(jié)溫Tvi,op升高，則ISC下降母線電壓UDC或UGE增大，則ISC增大IGBTModules–Technologies,DriverandApplication短路分類：189短路關(guān)斷隨著柵極電壓的提高，集電極電流相應(yīng)的增加（不受外部條件的限制）數(shù)據(jù)手冊中的轉(zhuǎn)移特性描述了這種對應(yīng)關(guān)系IGBTModules–Technologies,DriverandApplication19短路關(guān)斷使用較小的柵極電阻RG，降低米勒電容電流IGC添加外部柵—射極電容通過快速齊納二極管限制柵—射極電壓通過快速PN二極管或肖特基二極管把柵極箝位到驅(qū)動電源正電壓降低柵極工作電壓到14V左右采用IGBT柵極接地的驅(qū)動電路IGBTModules–Technologies,DriverandApplication可以通過限制IGBT柵極電壓來限制短路電流：外部措施可以用于限制IGBT模塊的短路電流，但它們無法補償內(nèi)部柵極電阻的影響。20短路關(guān)斷IGBT最大允許短路時間受節(jié)溫TVi,OP和直流母線電壓UDC的影響較大。通常TVi,OP越高或UDC越高，最大允許短路時間就越短。IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationFF600R12IS4FSCDATA21短路關(guān)斷有源箝位低電感設(shè)計的直流母排使用吸收電容IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationSC2型短路：SC2型短路保護措施：換流回路中的寄生電感在高-diC/dt時產(chǎn)生最高的集-射極過電壓短路回路中的等效電感，該電感可以限制短路電流，但是電感較大時可能導(dǎo)致短路電流增大IGBT短路關(guān)斷，IGBT從飽和導(dǎo)通狀態(tài)到退飽和狀態(tài)的過渡過程。22短路關(guān)斷IGBTModules–Technologies,DriverandApplication短路電感對短路電流的影響23短路關(guān)斷圖中對比了SC1和SC2分別在小電感和極小電感下短路的仿真結(jié)果。這三幅圖比例相同且來自一個簡化的仿真模型，可以明顯看到短路電流峰值由短路類型決定。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication短路電感對短路電流的影響24短路關(guān)斷SC2短路還可能發(fā)生一種極端情況：在關(guān)斷SC2短路時，IGBT還未進入飽和區(qū)，驅(qū)動的退飽和監(jiān)測電路開始工作并關(guān)斷IGBT，導(dǎo)致器件損壞。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication1.5kA/3.3kVIGBT25短路關(guān)斷IGBTModules–Technologies,DriverandApplication采用較低的柵極電阻（無法無條件地推薦）降低門極-發(fā)射極電容（如果存在）具有快速開關(guān)能力的驅(qū)動器（優(yōu)化驅(qū)動信號放大電路）減少驅(qū)動內(nèi)部阻抗（可以增加驅(qū)動峰值電流）SC2短路可能采取的一些措施：1.5kA/3.3kVIGBT26雜散電感對IGBT的影響換流通路中的雜散電感直流母線電容的寄生電感直流母線電容到IGBT或IGBT模塊連接母排

的寄生電感IGBT或者IGBT模塊的內(nèi)部雜散電感IGBTModules–Technologies,DriverandApplication27雜散電感對IGBT的影響雜散電感對IGBT開通過程的影響：IGBTModules–Technologies,DriverandApplication雜散電感越大：IC相同，集電極-發(fā)射極之間電壓跌落就越大。集電極電流上升率越小，即di/dt降低。開通損耗Eon就越低。雜散電感對IGBT關(guān)斷過程的影響：雜散電感越大：集電極-發(fā)射極電壓過沖越大。集電極電流下降率越慢，到達(dá)拖尾電流區(qū)的時間越長。拖尾電流越不明顯。關(guān)斷損耗Eoff越大。28雜散電感對IGBT的影響IGBTModules–Technologies,DriverandApplication雜散電感有利于IGBT開通，而不利于關(guān)斷29雜散電感對IGBT的影響雜散電感有利于IGBT開通，而不利于關(guān)斷IGBTModules–Technologies,DriverandApplication30雜散電感對IGBT的影響隨著di/dt增加，換流回路中的雜散電感需要

足夠小以防關(guān)斷過電壓超過IGBT的擊穿電壓雜散電感Lσ增加會降低拖尾電流IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationIGBT在不同雜散電感和電流變化率時的關(guān)斷過壓曲線Vbus:620VIGBT:1.2kV31雜散電感對IGBT的影響柵極通路雜散電感增加?xùn)艠O通路雜散電感LG，會使得IGBT開通過程加快IGBTModules–Technologies,DriverandApplication32雜散電感對IGBT的影響IGBT的開關(guān)過程越快，其續(xù)流二極管的換流過程就越快，如果太快，會導(dǎo)致二極管電流突然關(guān)斷從而引起震蕩，甚至損壞二極管。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication33安全工作區(qū)IGBT反偏安全工作區(qū)和短路安全工作區(qū)：短路安全工作區(qū)34IGBTModules–Technologies,DriverandApplication30安全工作區(qū)二極管安全工作區(qū)峰值損耗功率PRQM決定了續(xù)流二極管的安全工作區(qū)。最大損耗功率受限于正向重復(fù)峰值電流IFRM。反向重復(fù)峰值電壓URRM是安全工作區(qū)的右邊界。在實際應(yīng)用中，可以通過增加IGBT柵極電阻避免超出峰值損耗功率。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication35反向阻斷電壓IGBT反向阻斷電壓：IGBT的負(fù)載一般情況下都是感性負(fù)載，因此，IGBT需要一個反并聯(lián)的續(xù)流二極管IGBTModules–Technologies,DriverandApplication36IGTBModules–Technologies,DriverandApplication集成碳化硅續(xù)流二極管的硅IGBT碳化硅肖特基二極管作為IGBT的續(xù)流二極管：可以減少IGBT的開通損耗，可以提高IGBT的開通速度目前商業(yè)化的碳化硅肖特基二極管的額定電流最大只有15A，意味著幾百安排的IGBT模塊必須多個碳化硅二極管芯片并聯(lián)使用37集成碳化硅續(xù)流二極管的硅IGBTIGBTModules–Technologies,DriverandApplicationIGBT開通時柵極電阻較小(0.5Ω)時會發(fā)生震蕩。增加?xùn)艠O電阻，電流振蕩減少，但開關(guān)損耗急劇上升。38集成碳化硅續(xù)流二極管的硅IGBTIGBTModules–Technologies,DriverandApplicationIGBT關(guān)斷時開關(guān)過沖電壓隨著IGBT柵極電阻的增加而降低。關(guān)斷損耗變化不明顯39含有有源開關(guān)器件的開關(guān)電路被稱為硬開關(guān)拓?fù)?，?dāng)采用硬開關(guān)拓?fù)鋾r，開關(guān)頻率越高，產(chǎn)生的損耗就越大，一種有效的措施是采用開關(guān)負(fù)荷降載網(wǎng)絡(luò)或緩沖電路。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication降載開關(guān)和（準(zhǔn)）諧振開關(guān)40降載開關(guān)和（準(zhǔn)）諧振開關(guān)IGBTModules–Technologies,DriverandApplication41降載開關(guān)和（準(zhǔn)）諧振開關(guān)降低開通負(fù)載的RLD緩沖電路IGBTModules–Technologies,DriverandApplication42降載開關(guān)和（準(zhǔn)）諧振開關(guān)IGBTModules–Technologies,DriverandAppl