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IGBT窄脈沖現(xiàn)象解讀

發(fā)布時(shí)間:2022-06-03 來源:趙振波,英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】IGBT作為一種功率開關(guān),從門級信號到器件開關(guān)過程需要一定反應(yīng)時(shí)間,就像生活中開關(guān)門太快容易擠壓手一樣,過短的開通脈沖可能會引起過高的電壓尖峰或者高頻震蕩問題。這種現(xiàn)象隨著IGBT被高頻PWM調(diào)制信號驅(qū)動時(shí),時(shí)常會無奈發(fā)生,占空比越小越容易輸出窄脈沖,且IGBT反并聯(lián)續(xù)流二極管FWD在硬開關(guān)續(xù)流時(shí)反向恢復(fù)特性也會變快。


什么是窄脈沖現(xiàn)象


IGBT作為一種功率開關(guān),從門級信號到器件開關(guān)過程需要一定反應(yīng)時(shí)間,就像生活中開關(guān)門太快容易擠壓手一樣,過短的開通脈沖可能會引起過高的電壓尖峰或者高頻震蕩問題。這種現(xiàn)象隨著IGBT被高頻PWM調(diào)制信號驅(qū)動時(shí),時(shí)常會無奈發(fā)生,占空比越小越容易輸出窄脈沖,且IGBT反并聯(lián)續(xù)流二極管FWD在硬開關(guān)續(xù)流時(shí)反向恢復(fù)特性也會變快。以1700V/1000A IGBT4 E4來看,規(guī)格書中在結(jié)溫Tvj.op=150℃時(shí),開關(guān)時(shí)間tdon=0.6us,tr=0.12us和tdoff=1.3us, tf=0.59us,窄脈沖寬度不能小于規(guī)格書開關(guān)時(shí)間之和。在實(shí)際應(yīng)用中,由于負(fù)載特性的不同像光伏和儲能絕大數(shù)都時(shí)功率因數(shù)為+/-1,其窄脈沖會在靠近電流零點(diǎn)附近出現(xiàn),像無功發(fā)生器SVG,有源濾波APF功率因數(shù)為0,其窄脈沖會出現(xiàn)在最大負(fù)載電流附近,實(shí)際應(yīng)用中電流過零點(diǎn)附近更容易出現(xiàn)輸出波形上的高頻振蕩,EMI問題隨之而來。


窄脈沖現(xiàn)象的原因


從半導(dǎo)體基本原理上看,窄脈沖現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是由于IGBT 或FWD剛開始開通時(shí),不會立即充滿載流子,當(dāng)在載流子擴(kuò)散時(shí)關(guān)斷IGBT或二極管芯片,與載流子完全充滿后關(guān)斷相比,di/dt可能會增加。相應(yīng)地在換流雜散電感下會產(chǎn)生更高的IGBT關(guān)斷過電壓,也可能會引起二極管反向恢復(fù)電流突變,進(jìn)而引起snap-off現(xiàn)象。但該現(xiàn)象與IGBT和FWD芯片技術(shù)、器件電壓和電流都緊密相關(guān)。


先要從經(jīng)典的雙脈沖示意圖出發(fā),下圖為IGBT門極驅(qū)動電壓、電流和電壓的開關(guān)邏輯,從IGBT的驅(qū)動邏輯看,可以分為窄脈沖關(guān)斷時(shí)間toff,實(shí)際是對應(yīng)二極管FWD的正向?qū)〞r(shí)間ton,其對反向恢復(fù)峰值電流、恢復(fù)速度都有很大影響,如圖中A點(diǎn),反向恢復(fù)最大峰值功率不能超過FWD SOA的限制;和窄脈沖開通時(shí)間ton,這個對IGBT關(guān)斷過程影響比較大,如圖中B點(diǎn),主要是IGBT關(guān)斷電壓尖峰和電流拖尾振蕩。


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圖1.驅(qū)動雙脈沖


但太窄脈沖器件開通關(guān)斷會引起什么問題呢?實(shí)際應(yīng)用中那最小脈沖寬度限制是多少比較合理呢?這些問題用理論和公式很難推導(dǎo)出萬能公式來直接計(jì)算,理論分析和研究也比較少。從實(shí)際測試波形和結(jié)果來看圖說話,分析和總結(jié)應(yīng)用的特點(diǎn)和共性,更有利于幫助大家認(rèn)識這種現(xiàn)象,進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)避免問題出現(xiàn)。


IGBT窄脈沖開通


IGBT做為主動開關(guān),用實(shí)際案例來看圖說話這個現(xiàn)象更有說服力,來點(diǎn)有料干貨。


以大功率模塊IGBT4 PrimePACK? FF1000R17IE4為測試對象,在Vce=800V,Ic=500A,Rg=1.7Ω Vge=+/-15V,Ta=25℃條件下ton變化時(shí)器件關(guān)斷特性,紅色為集電極Ic,藍(lán)色為IGBT兩端電壓Vce,綠色為驅(qū)動電壓Vge。脈沖ton從2us減小到1.3us看這個電壓尖峰Vcep的變化,下圖直觀的給出測試波形漸進(jìn)看變化過程,尤其圈中所示。


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當(dāng)ton<=1.3us時(shí),IGBT此時(shí)已經(jīng)處于線性區(qū),沒有完全導(dǎo)通,此時(shí)開關(guān)損耗會很大,關(guān)斷電流Ic出現(xiàn)突變引起大di/dt,IGBT關(guān)斷會出現(xiàn)高頻振蕩。


改變電流Ic,在Vce維度看看ton引起的特性變化。左右圖為分別在相同Vce=800V、1000V條件下,不同電流Ic時(shí)電壓尖峰Vce_peak。從各自測試結(jié)果看,ton在小電流時(shí),對電壓尖峰Vce_peak的影響比較??;當(dāng)關(guān)斷電流增加話,窄脈沖關(guān)斷時(shí)容易出現(xiàn)電流突變,隨之引起高電壓尖峰。以左右圖為坐標(biāo)對比,ton在當(dāng)Vce和電流Ic越高時(shí)對關(guān)斷過程影響越大,更容易出現(xiàn)電流突變現(xiàn)象。從測試看這個例子FF1000R17IE4,最小脈沖ton最為合理時(shí)間不要小于3us。


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大電流模塊和小電流模塊在這個問題上表現(xiàn)有差異嗎?以FF450R12ME3中等功率模塊為例,下圖為不同測試電流Ic在ton變化時(shí)候的電壓過沖。


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類似結(jié)果,小電流條件低于1/10*Ic下ton對關(guān)斷電壓過沖影響可以忽略。當(dāng)電流增加到額定電流450A,甚至2*Ic電流900A,電壓過沖隨ton寬度變化就非常明顯。為了測試極端條件下工況的特性表現(xiàn),3倍額定電流為1350A,電壓尖峰已經(jīng)超過阻斷電壓,被芯片嵌在一定電壓水平,與ton寬度無關(guān)。


下圖是在Vce=700V,Ic=900A時(shí)ton=1us和20us的對比測試波形。從實(shí)際測試看,該模塊脈沖寬度在ton=1us已經(jīng)開始振蕩,電壓尖峰Vcep比ton=20us要高出80V。因此,建議不要最小脈沖時(shí)間不要小于1us。


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FWD窄脈沖開通


FWD窄脈沖開通


在半橋電路中,IGBT關(guān)斷脈沖toff對應(yīng)的就是FWD開通時(shí)間ton,下圖可以看出當(dāng)FWD開通時(shí)間小于2us時(shí)候,在額定電流450A時(shí),F(xiàn)WD反向電流峰值會增大。當(dāng)toff大于2us時(shí),F(xiàn)WD反向恢復(fù)峰值電流基本不變。


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用IGBT5 PrimePACK?3+FF1800R17IP5來觀察大功率二極管特性,尤其小電流條件下隨ton變化,下面一排展示在VR=900V,1200V條件下,在小電流IF=20A條件下兩個波形的直接對比,很明顯在ton=3us時(shí)候,示波器已經(jīng)hold不住這個高頻振蕩的幅值。這也引證在大功率器件應(yīng)用中負(fù)載電流過零點(diǎn)的高頻振蕩和FWD短時(shí)反向恢復(fù)過程有緊密關(guān)系。


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直觀波形看完后,用實(shí)際數(shù)據(jù)來進(jìn)一步量化對比這個過程,二極管的dv/dt和di/dt隨toff變化,越小FWD導(dǎo)通時(shí)間,其反向特性會變快。當(dāng)FWD兩端的VR越高時(shí),隨著二極管導(dǎo)通脈沖變窄,其二極管反向恢復(fù)速度會加快,具體看數(shù)據(jù)在ton=3us條件下:


VR=1200V時(shí):


dv/dt=44.3kV/us;di/dt=14kA/us;


VR=900V時(shí):


dv/dt=32.1kV/us;di/dt=12.9kA/us。


鑒于ton=3us時(shí)候,波形高頻振蕩更加劇烈, 并超出了二極管安全工作區(qū),從二極管FWD角度看導(dǎo)通時(shí)間不要小于3us。


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在高壓3.3kV IGBT以上規(guī)格書中已經(jīng)對FWD正向?qū)〞r(shí)間ton進(jìn)行了明確定義和需求,以2400A/3.3kV HE3為例如下,其已經(jīng)明確給出最小二極管導(dǎo)通時(shí)間10us作為限制,這主要是大功率應(yīng)用中系統(tǒng)回路雜散電感比較大,開關(guān)時(shí)間比較長,在器件開通過程中瞬時(shí)容易超過二極管最大允許功耗PRQM。


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從模塊實(shí)際測試波形和結(jié)果看,看圖說話有一些基本總結(jié):


1. 脈沖寬度ton對IGBT關(guān)斷小電流(大約1/10*Ic)時(shí)影響較小,實(shí)際可以忽略。

2. IGBT關(guān)斷大電流時(shí)候?qū)γ}沖寬度ton有一定依賴性,ton越小電壓尖峰V越高,且關(guān)斷電流拖尾會突變,發(fā)生高頻振蕩。

3. FWD特性隨導(dǎo)通時(shí)間變短其反向恢復(fù)過程會加速,越短FWD導(dǎo)通時(shí)間會引起很大dv/dt和di/dt,尤其小電流條件下。另外,高壓IGBT都給出明確最小二極管導(dǎo)通時(shí)間tonmin=10us。


在低壓IGBT應(yīng)用中比較難對最小允許開通窄脈沖去定義和計(jì)算,推薦精確地測量來調(diào)整去評估IGBT和FWD。文中的實(shí)際測試波形已經(jīng)給出了一些參考最小時(shí)間,起到拋磚引玉的作用。



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