PWM方式開(kāi)關(guān)電源中IGBT 的損耗分析

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

在任何裝置中使用IGBT 都會(huì)遇到IGBT 的選擇及熱設(shè)計(jì)問(wèn)題。當(dāng)電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力這2 個(gè)直觀參數(shù)確定之后， 最終需要根據(jù)IGBT 在應(yīng)用條件下的損耗及熱循環(huán)能力來(lái)選定IGBT。通常由于使用條件不同， 通過(guò)IGBT 數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的參數(shù)不能確切得出應(yīng)用條件下IGBT 的損耗。比較好的方法是通過(guò)測(cè)量行業(yè)確定IGBT 數(shù)據(jù)手冊(cè)中參數(shù)的測(cè)量條件與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的差別， 并介紹IGBT 的損耗的簡(jiǎn)單測(cè)量方法。

IGBT 參數(shù)的定義

廠商所提供的IGBT 開(kāi)關(guān)參數(shù)通常是在純感性負(fù)載下測(cè)量的， 圖1 和圖2 分別是IR 公司和TOSHIBA公司測(cè)量開(kāi)關(guān)時(shí)間的電路和定義開(kāi)關(guān)時(shí)間的波形。其共同特點(diǎn)是： 開(kāi)通處于續(xù)流狀態(tài)的純感性負(fù)載; 關(guān)斷有箝位二極管的純感性負(fù)載。有些數(shù)據(jù)手冊(cè)還給出了開(kāi)關(guān)過(guò)程的能量損失 ，也是在同樣條件下測(cè)量的。

對(duì)于PWM 方式工作并使用變壓器的開(kāi)關(guān)電源， 其工作情況則與之區(qū)別很大。圖3 是11 kW 半橋型電路及其工作波形， 使用的IGBT 為GA75TS120U。由波形可見(jiàn)， 電流上升時(shí)間tr 約為500 ns， 下降時(shí)間t f 約為300 ns。但在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，GA75TS120U 的電流升降時(shí)間分別為t r= 100 ns，t f= 80 ns， 與實(shí)際工作情況差異較大。其原因主要在于以下2 個(gè)方面：

(1)開(kāi)通時(shí)，圖3 中由于變壓器漏感的存在， IGBT實(shí)際上開(kāi)通了1 個(gè)零電流感性負(fù)載， 近似于零電流開(kāi)通， 電流上升率受漏感充電速度的限制， 因而實(shí)際電流上升時(shí)間tr 不完全取決于IGBT。而數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出開(kāi)通處于續(xù)流狀態(tài)的純感性負(fù)載， 開(kāi)通瞬間， IGBT 既要承受電感中的電流， 還要承受續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流， 電流上升率則完全取決于IGBT 的開(kāi)通速度。

(2)關(guān)斷時(shí)，圖3 中的IGBT 并非是在關(guān)斷1 個(gè)純感性負(fù)載， 而是關(guān)斷1 個(gè)R - L 型負(fù)載( 變壓器及其負(fù)載， 從變壓器一次側(cè)可等效為R -L 型負(fù)載) ，其電流的下降時(shí)間t f 要慢于關(guān)斷帶箝位的純感性負(fù)載。并且， 對(duì)于純感性負(fù)載， 只有當(dāng)IGBT 的集電極電壓上升到箝位值后， IGBT 的電流才開(kāi)始下降( 見(jiàn)圖1、圖2 中波形) ， 而電阻-電感性負(fù)載時(shí)， 集電極電壓和電流幾乎是同時(shí)變化的( 見(jiàn)圖3b 波形) 。

由于上述原因，圖3 中IGBT 的t r、t f 均大于給定值， 但這并不意味著損耗的上升， 因?yàn)殚_(kāi)關(guān)損耗還取決于開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓電流的重疊程度， 而圖3中的重迭明顯不如圖1、圖2 中嚴(yán)重， 因而整體損耗將下降。

IGBT 損耗的測(cè)量

IGBT 損耗的測(cè)量實(shí)際上是通過(guò)對(duì)其工作電壓和電流的測(cè)量和計(jì)算而得到的， 因而損耗的測(cè)量實(shí)質(zhì)上是電壓和電流的測(cè)量， 電壓和電流測(cè)量方法的恰當(dāng)與否直接影響到測(cè)量結(jié)果的可信度。

3.1 電流測(cè)量

電流測(cè)量應(yīng)使用高頻無(wú)源電流互感器， 不要使用磁平衡式電流傳感器， 前者都有較好的高頻響應(yīng)，后者往往速度較慢， 達(dá)不到測(cè)量要求。電流傳感器要置于被測(cè)IGBT 的發(fā)射或集電極， 而不要置于主變壓器一次側(cè)， 這是2 個(gè)不同的電流。這一點(diǎn)可以從圖3 IGBT 的關(guān)斷過(guò)程中看出： IGBT1 關(guān)斷時(shí)， VD2 將對(duì)關(guān)斷產(chǎn)生的電壓過(guò)沖箝位( t1 ～ t 期間) ， 在VD2中產(chǎn)生箝位電流。而IGBT1 中電流因轉(zhuǎn)向VD2 而陡降， 此時(shí)變壓器一次側(cè)電流為IGBT1 和VD2 電流之和， 而非僅IGBT1 中的電流。電流互感器通常由自己制作， 使用前應(yīng)先檢驗(yàn)其性能， 可采用圖4 電路進(jìn)行檢驗(yàn)。電阻R1、R2 應(yīng)使用無(wú)感電阻。實(shí)際測(cè)量時(shí)， 互感器初級(jí)匝數(shù)N 1通常為1 匝， 檢驗(yàn)時(shí)可適當(dāng)增加N 1， 這樣可以減小檢驗(yàn)電流I 而不降低互感器初級(jí)的總安匝數(shù)， 使檢驗(yàn)工作更加容易。比較U2 和U1 波形在延時(shí)和畸變方面的區(qū)別， 就可確定互感器是否合格。通常U2不能有明顯的失真， U2 對(duì)U1 的延時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)小于IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間參數(shù)。

3.2 電壓測(cè)量

IGBT 開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中電壓的完整觀測(cè)可以直接使用示波器探頭， 但對(duì)于開(kāi)通時(shí)IGBT 電壓拖尾過(guò)程和通態(tài)飽和壓降的測(cè)量， 則需要使用箝位電路( 見(jiàn)圖5) 。原因在于此時(shí)示波器的Y 軸分辨率要置于0.5/ div～ 10/ div 檔， 而這時(shí)輸入探頭的電壓變化范圍則高達(dá)幾百伏， 這種情況下通常示波器會(huì)產(chǎn)生很大的失真， 作零點(diǎn)漂移， 無(wú)法正常觀察。用圖中R1、R2、C、VD 和VS 所構(gòu)成的電壓箝位電路， 可以取出Uce中小于UVS的那一部分波形Uce。用示波器觀測(cè)則不會(huì)出現(xiàn)失真和漂移。UVS 與Uce的關(guān)系可用下式表示：

測(cè)量Uce開(kāi)通拖尾過(guò)程時(shí)， 應(yīng)選UVS= 50 V， 測(cè)量動(dòng)態(tài)飽和壓降時(shí)則應(yīng)選UVS= 12 V。

圖中R2、C 用來(lái)補(bǔ)償由示波器探頭輸入電容及VD、VS 結(jié)電容引起的失真。使用前利用已知的方波信號(hào)對(duì)箝位電路進(jìn)行校準(zhǔn)。

應(yīng)用舉例

圖6、圖7 中的波形是不同的IGBT 在圖1 所示電路中工作時(shí)測(cè)得的。測(cè)量條件為： 輸入電壓Ucc= 520 V， 輸出功率Po= 11 kW， 初級(jí)電流I = 52 A，工作頻率f = 20 kHz。圖6 中開(kāi)通電壓的測(cè)量使用了圖5 中的箝位電路， 箝位電壓值UVS = 48 V， 因此， 其波形上最高電壓不超過(guò)48 V。

對(duì)測(cè)得的波形進(jìn)行折線等效， 并對(duì)電壓電流的乘積分段積分， 就可粗略計(jì)算出IGBT 的總損耗，圖8是對(duì)GA75TS120U 開(kāi)關(guān)過(guò)程的折線等效圖， 并由此求得：

開(kāi)通損耗： P1= 12 W

關(guān)斷損耗： P2= 56.6 W

過(guò)渡損耗： P3= 10 W

通態(tài)損耗： P4= 53.8W( 飽和壓降Usat= 2

單管總損耗： P c= 132.4 W

其中計(jì)算通態(tài)損耗的飽和壓降Usat是用圖5 給出的箝位電路測(cè)量的， 箝位電壓UVS= 12 V。

從波形可以看出， 飽和壓降從開(kāi)通到穩(wěn)定有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程， 由此造成的損耗P3 也不容忽視。

下表是用前述方法測(cè)量幾家不同公司的IGBT所得的結(jié)果; 測(cè)量電路為圖1， 測(cè)量條件相同。

測(cè)量結(jié)果可以作為選擇IGBT 和熱設(shè)計(jì)的依據(jù)。對(duì)于IGBT 的選取， 應(yīng)綜合考慮開(kāi)關(guān)損耗和通態(tài)損耗。低頻工作時(shí)， 低飽和壓降的IGBT 總損耗較小，而高頻工作時(shí)則應(yīng)選擇開(kāi)關(guān)速度快的IGBT。

值得注意的是： 樣品A( IR 公司GA75TS120U) 在高速I(mǎi)GBT 中具有較低的飽和壓降， 因而總損耗較小。同時(shí)從表中可以看出， 樣品D 與B 和C 的損耗接近， 但基板溫度較低; 樣品E 損耗較大， 但基板溫度并不顯著高于B 和C， 這說(shuō)明樣品D 和E 的熱循環(huán)能力較差。盡管樣品中各IGBT 數(shù)據(jù)手冊(cè)所標(biāo)明的結(jié)-殼熱阻Rth( j- c) 基本相同， 實(shí)際上通常采用Ucc= 520 V、Po= 11 kW、I c= 52 A、f = 20 kHz， NPT( 非穿通型)技術(shù)制造的管芯( GA75TS120U) 厚度僅為PT( 穿通型) 技術(shù)管芯的四分之一， 因而熱阻小， 熱循環(huán)能力強(qiáng)， 可以降低對(duì)散熱器的要求， 同時(shí)，開(kāi)關(guān)速度不隨結(jié)溫變化。PT 型IGBT 的開(kāi)關(guān)速度則隨溫度升高而降低。高頻工作時(shí)可以考慮選擇NPT型IGBT。

總結(jié)

文中介紹的損耗測(cè)量分析方法簡(jiǎn)單而有效， 可以使設(shè)計(jì)者對(duì)IGBT 的選擇和熱設(shè)計(jì)作到心中有數(shù)，以利于得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。需要提請(qǐng)注意的是，測(cè)量工具及輔助電路的標(biāo)準(zhǔn)是非常必要的， 否則可能導(dǎo)致較大的誤差。