雜散電感對高效IGBT逆變器設計的影響

　　前文已經(jīng)表明寄生電感可能對總體損耗平衡有益。但是雜散電感還可能導致振蕩，比如由電流突變引起的振蕩，這可能導致由于EMI或過(guò)壓限制而引起的器件使用受限。迄今為止所介紹的所有測量都是在對損耗至關(guān)重要的Tvj=150℃結溫條件下進(jìn)行的。電流突變在低溫條件下更加關(guān)鍵，因為器件的載流子注入隨著(zhù)溫度的降低而減少，并大幅降低用于平滑拖尾電流的電荷。因此，圖6在25℃和600V直流母線(xiàn)電壓的條件下，對三款芯片在額定電流下的IGBT關(guān)斷情況進(jìn)行了比較。直流母線(xiàn)電感被作為一個(gè)參數使用。

　　圖6：開(kāi)關(guān)曲線(xiàn)作為三款IGBT雜散電感LSd的函數：T4(左)、E4(中)、P4(右);上圖為柵極電壓;下圖為電流和電壓曲線(xiàn)。

　　在給定的例子中，當雜散電感約為55nH時(shí)，T4會(huì )變硬，振蕩開(kāi)始發(fā)生。在相同條件下，直到直流母線(xiàn)電感達到約80nH，E4還依然保持了軟度。對于針對大功率而優(yōu)化的P4芯片而言，它在觀(guān)察到的電感范圍內(20nH…100nH)都保持軟度。這種觀(guān)察結果并不出人意外，因為該IGBT是被設計用于高達3600A額定電流的大功率模塊。

　　盡管IGBT的電流突變趨勢通常在低溫和大電流下最為明顯，但續流二極管軟度通常在低溫和小電流下最為關(guān)鍵。這取決于幾個(gè)因素：因為二極管是一個(gè)載流子生命周期優(yōu)化器件，等離子體密度在小電流下最低，因此拖尾電荷隨著(zhù)電流水平的降低而減弱。此外，迫使二極管換向的開(kāi)關(guān)IGBT通常在低電流水平下開(kāi)關(guān)速度更快。最后，二極管過(guò)壓與開(kāi)關(guān)電流沒(méi)有關(guān)系，而是由二極管的反向恢復電流峰值的負斜率導致的，該斜率在小電流和低溫下同樣最陡。

　　由于快速開(kāi)關(guān)瞬變(du/dt和反向恢復di/dt)的影響，直流母線(xiàn)振蕩可以很容易地在低電流水平下觸發(fā)，甚至是在沒(méi)有二極管電流突變的情況下。圖7介紹了續流二極管在不同雜散電感條件下的反向恢復特性。

　　圖7：二極管在室溫和1/10In條件下的恢復性能(針對不同LS的曲線(xiàn))。

　　此時(shí)，低雜散電感可產(chǎn)品較高的諧振頻率，并且有助于抑制這種振蕩。當然，如果大雜散電感使得二極管真的出現電流突變，情況會(huì )更糟。出于EMI的考慮，這將限制較高雜散電感的使用。

　　本文小結

　　當工作在相同條件下，IGBT針對提高軟度需求的設計優(yōu)化將會(huì )付出開(kāi)關(guān)損耗提高的代價(jià)。

　　除開(kāi)關(guān)損耗外，開(kāi)通和關(guān)斷速度、電流突變和振蕩(EMI)的發(fā)生也越來(lái)越受到重視。寄生雜散電感對直流母線(xiàn)諧振頻率和二極管電流突變起到了重要作用。至少從EMI角度考慮，二極管電流突變將會(huì )對通過(guò)增加雜散電感或提高IGBT開(kāi)通速度來(lái)降低開(kāi)通損耗有所限制。

　　因此，未來(lái)有望推出IGBT的不同型號優(yōu)化產(chǎn)品。另一方面，考慮到直流母線(xiàn)電感是逆變器設計中的一個(gè)自由參數，這將有助于進(jìn)一步優(yōu)化損耗。