IGBT窄脈沖現象解讀

IGBT作為一種功率開(kāi)關(guān)，從門(mén)級信號到器件開(kāi)關(guān)過(guò)程需要一定反應時(shí)間，就像生活中開(kāi)關(guān)門(mén)太快容易擠壓手一樣，過(guò)短的開(kāi)通脈沖可能會(huì )引起過(guò)高的電壓尖峰或者高頻震蕩問(wèn)題。這種現象隨著(zhù)IGBT被高頻PWM調制信號驅動(dòng)時(shí)，時(shí)常會(huì )無(wú)奈發(fā)生，占空比越小越容易輸出窄脈沖，且IGBT反并聯(lián)續流二極管FWD在硬開(kāi)關(guān)續流時(shí)反向恢復特性也會(huì )變快。

什么是窄脈沖現象

IGBT作為一種功率開(kāi)關(guān)，從門(mén)級信號到器件開(kāi)關(guān)過(guò)程需要一定反應時(shí)間，就像生活中開(kāi)關(guān)門(mén)太快容易擠壓手一樣，過(guò)短的開(kāi)通脈沖可能會(huì )引起過(guò)高的電壓尖峰或者高頻震蕩問(wèn)題。這種現象隨著(zhù)IGBT被高頻PWM調制信號驅動(dòng)時(shí)，時(shí)常會(huì )無(wú)奈發(fā)生，占空比越小越容易輸出窄脈沖，且IGBT反并聯(lián)續流二極管FWD在硬開(kāi)關(guān)續流時(shí)反向恢復特性也會(huì )變快。以1700V/1000A IGBT4 E4來(lái)看，規格書(shū)中在結溫Tvj.op=150℃時(shí)，開(kāi)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格書(shū)開(kāi)關(guān)時(shí)間之和。在實(shí)際應用中，由于負載特性的不同像光伏和儲能絕大數都時(shí)功率因數為+/-1，其窄脈沖會(huì )在靠近電流零點(diǎn)附近出現，像無(wú)功發(fā)生器SVG，有源濾波APF功率因數為0，其窄脈沖會(huì )出現在最大負載電流附近，實(shí)際應用中電流過(guò)零點(diǎn)附近更容易出現輸出波形上的高頻振蕩，EMI問(wèn)題隨之而來(lái)。

窄脈沖現象的原因

從半導體基本原理上看，窄脈沖現象產(chǎn)生的主要原因是由于IGBT 或FWD剛開(kāi)始開(kāi)通時(shí)，不會(huì )立即充滿(mǎn)載流子，當在載流子擴散時(shí)關(guān)斷IGBT或二極管芯片，與載流子完全充滿(mǎn)后關(guān)斷相比，di/dt可能會(huì )增加。相應地在換流雜散電感下會(huì )產(chǎn)生更高的IGBT關(guān)斷過(guò)電壓，也可能會(huì )引起二極管反向恢復電流突變，進(jìn)而引起snap-off現象。但該現象與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(mén)極驅動(dòng)電壓、電流和電壓的開(kāi)關(guān)邏輯，從IGBT的驅動(dòng)邏輯看，可以分為窄脈沖關(guān)斷時(shí)間toff，實(shí)際是對應二極管FWD的正向導通時(shí)間ton，其對反向恢復峰值電流、恢復速度都有很大影響，如圖中A點(diǎn)，反向恢復最大峰值功率不能超過(guò)FWD SOA的限制；和窄脈沖開(kāi)通時(shí)間ton，這個(gè)對IGBT關(guān)斷過(guò)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。

圖1.驅動(dòng)雙脈沖

但太窄脈沖器件開(kāi)通關(guān)斷會(huì )引起什么問(wèn)題呢？實(shí)際應用中那最小脈沖寬度限制是多少比較合理呢？這些問(wèn)題用理論和公式很難推導出萬(wàn)能公式來(lái)直接計算，理論分析和研究也比較少。從實(shí)際測試波形和結果來(lái)看圖說(shuō)話(huà)，分析和總結應用的特點(diǎn)和共性，更有利于幫助大家認識這種現象，進(jìn)而優(yōu)化設計避免問(wèn)題出現。

IGBT窄脈沖開(kāi)通

IGBT做為主動(dòng)開(kāi)關(guān)，用實(shí)際案例來(lái)看圖說(shuō)話(huà)這個(gè)現象更有說(shuō)服力，來(lái)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，藍色為IGBT兩端電壓Vce，綠色為驅動(dòng)電壓Vge。脈沖ton從2us減小到1.3us看這個(gè)電壓尖峰Vcep的變化，下圖直觀(guān)的給出測試波形漸進(jìn)看變化過(guò)程，尤其圈中所示。

當ton<=1.3us時(shí)，IGBT此時(shí)已經(jīng)處于線(xiàn)性區，沒(méi)有完全導通，此時(shí)開(kāi)關(guān)損耗會(huì )很大，關(guān)斷電流Ic出現突變引起大di/dt，IGBT關(guān)斷會(huì )出現高頻振蕩。

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。從各自測試結果看，ton在小電流時(shí)，對電壓尖峰Vce_peak的影響比較??；當關(guān)斷電流增加話(huà)，窄脈沖關(guān)斷時(shí)容易出現電流突變，隨之引起高電壓尖峰。以左右圖為坐標對比，ton在當Vce和電流Ic越高時(shí)對關(guān)斷過(guò)程影響越大，更容易出現電流突變現象。從測試看這個(gè)例子FF1000R17IE4，最小脈沖ton最為合理時(shí)間不要小于3us。

大電流模塊和小電流模塊在這個(gè)問(wèn)題上表現有差異嗎？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(guò)沖。

類(lèi)似結果，小電流條件低于1/10*Ic下ton對關(guān)斷電壓過(guò)沖影響可以忽略。當電流增加到額定電流450A，甚至2*Ic電流900A，電壓過(guò)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，3倍額定電流為1350A，電壓尖峰已經(jīng)超過(guò)阻斷電壓，被芯片嵌在一定電壓水平，與ton寬度無(wú)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(kāi)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。

FWD窄脈沖開(kāi)通

FWD窄脈沖開(kāi)通

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

用IGBT5 PrimePACK?3+FF1800R17IP5來(lái)觀(guān)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(gè)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(gè)高頻振蕩的幅值。這也引證在大功率器件應用中負載電流過(guò)零點(diǎn)的高頻振蕩和FWD短時(shí)反向恢復過(guò)程有緊密關(guān)系。

直觀(guān)波形看完后，用實(shí)際數據來(lái)進(jìn)一步量化對比這個(gè)過(guò)程，二極管的dv/dt和di/dt隨toff變化，越小FWD導通時(shí)間，其反向特性會(huì )變快。當FWD兩端的VR越高時(shí)，隨著(zhù)二極管導通脈沖變窄，其二極管反向恢復速度會(huì )加快，具體看數據在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，從二極管FWD角度看導通時(shí)間不要小于3us。

在高壓3.3kV IGBT以上規格書(shū)中已經(jīng)對FWD正向導通時(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通時(shí)間10us作為限制，這主要是大功率應用中系統回路雜散電感比較大，開(kāi)關(guān)時(shí)間比較長(cháng)，在器件開(kāi)通過(guò)程中瞬時(shí)容易超過(guò)二極管最大允許功耗PRQM。

從模塊實(shí)際測試波形和結果看，看圖說(shuō)話(huà)有一些基本總結：

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)候對脈沖寬度ton有一定依賴(lài)性，ton越小電壓尖峰V越高，且關(guān)斷電流拖尾會(huì )突變，發(fā)生高頻振蕩。

3. FWD特性隨導通時(shí)間變短其反向恢復過(guò)程會(huì )加速，越短FWD導通時(shí)間會(huì )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通時(shí)間tonmin=10us。

在低壓IGBT應用中比較難對最小允許開(kāi)通窄脈沖去定義和計算，推薦精確地測量來(lái)調整去評估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。