PWM 方式開(kāi)關(guān)電源中IGBT 的損耗分析

1 引言

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。

2 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。

3 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)。

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