雜散電感對(duì)高效IGBT4逆變器設(shè)計(jì)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(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。

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。

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。

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(guò)程中di/dt可降低IGBT的電壓，但在關(guān)斷過(guò)程中它也會(huì)增大IGBT的電壓過(guò)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。

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(guò)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(guò)，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。