雜散電感對(duì)IGBT開關(guān)過(guò)程的影響(1)

1 簡(jiǎn)介

IGBT的開關(guān)損耗特性研究對(duì)IGBT變流器設(shè)計(jì)具有重要的意義，在有結(jié)構(gòu)緊湊性要求或可靠性要求較高或散熱條件特殊的場(chǎng)合，都需要嚴(yán)格按器件損耗特性進(jìn)行大余量熱設(shè)計(jì)以保證IGBT及IGBT變流器的溫升在長(zhǎng)期可靠性運(yùn)行所允許的范圍之內(nèi)。IGBT 是主流中大容量/中高速器件，開關(guān)損耗特性研究得到一貫重視。作為典型MOS門極壓控器件，其開關(guān)損耗主要決定于開關(guān)工作電壓、電流、溫度以及門極驅(qū)動(dòng)情況等因素，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如主回路雜散電感會(huì)影響IGBT的開關(guān)特性，進(jìn)而影響開關(guān)損耗，任何對(duì)其開關(guān)性能的研究都必然建立在實(shí)驗(yàn)測(cè)試基礎(chǔ)之上，并在實(shí)際設(shè)計(jì)中盡量?jī)?yōu)化以降低變流回路雜散電感。

(a) 測(cè)試電路原理圖

(b) 測(cè)試波形原理圖

圖1 功率開關(guān)開關(guān)性能測(cè)試平臺(tái)原理

圖1是典型的IGBT 開關(guān)特性測(cè)試平臺(tái)工作原理，其基本形式是用IGBT、二極管、電感、直流電源組成斬波器，模擬各種開關(guān)工作狀態(tài)，用于測(cè)試，電路如圖1(a)。其中DUT 是被測(cè)試的帶反并聯(lián)二極管IGBT（Device Under Test），與完全相同的IGBT 組成一個(gè)橋臂，再串聯(lián)以同軸電流傳感器（Coaxial Shunt），跨于直流母線與參考電位（地電位）之間。DUT 的對(duì)管門極反偏以確?？煽孔钄?，這使得它僅僅擔(dān)當(dāng)一個(gè)二極管（D）的角色，用以續(xù)流，而電感L跨接在橋臂中點(diǎn)與母線上，作為斬波器的負(fù)載。DUT 的門極驅(qū)動(dòng)則受控可調(diào)，一般按雙脈沖形式組織，如圖1(b)所示。在直流母線可用前提下，從t0 時(shí)刻開始DUT 被觸發(fā)導(dǎo)通，直流電壓施加于電感L 上，使得其電流從零開始線性上升，到時(shí)刻t1，DUT 電流（亦即電感電流）上升到所希望的測(cè)試值，關(guān)斷DUT，可進(jìn)行關(guān)斷特性紀(jì)錄測(cè)量。DUT 的阻斷維持到t2 時(shí)刻，期間電感電流通過(guò)對(duì)管反并二極管續(xù)流，有輕微能量損失在續(xù)流二極管以及線圈電阻上，這一時(shí)間間隔程度選擇必須足夠長(zhǎng)以滿足關(guān)斷性能測(cè)試的最短時(shí)間要求，同時(shí)又應(yīng)該盡量短以減少電感電流因續(xù)流損耗而下降的幅度。t2 時(shí)刻DUT 再次開通，此時(shí)可在與t2 時(shí)刻類似的電壓電流條件下進(jìn)行器件開通特性測(cè)試。第二次導(dǎo)通持續(xù)到時(shí)刻t3，時(shí)間間隔因在滿足開通測(cè)試穩(wěn)定前提下盡量短，此后電感電流續(xù)流到自然衰減為零。類似電路應(yīng)該具備母線電壓調(diào)整功能、器件結(jié)溫控制功能以及DUT 門極驅(qū)動(dòng)條件調(diào)節(jié)能力、電壓電流數(shù)據(jù)采集能力等等。幾乎所有的器件廠商提供的開關(guān)特性數(shù)據(jù)都是基于以上結(jié)構(gòu)、原理測(cè)試獲得的。

2 實(shí)際測(cè)試平臺(tái)分析

2.1 雜散電感分布在實(shí)際測(cè)試平臺(tái)構(gòu)建中必須認(rèn)識(shí)到，以上結(jié)構(gòu)、原理、分析仍然是基于理想條件下的，在實(shí)踐中往往有所出入。實(shí)際電路與原理電路的區(qū)別通常表現(xiàn)在元件非理想特性以及分布參數(shù)兩個(gè)方面，在這個(gè)例子里我們著重討論分布參數(shù)對(duì)電路的影響。圖2 是考慮分布雜散電感修改后的測(cè)試平臺(tái)電路原理圖。其中直流母線等效串聯(lián)電阻忽略不計(jì)，其等效串聯(lián)電感從拓?fù)渖峡创?lián)于母線引線電感，固將其歸并考慮。圖中分別以Lp、Lc、Lg、Le 命名引線電感、IGBT集電極電感、門極驅(qū)動(dòng)等效電感以及發(fā)射極電感。對(duì)于自建測(cè)試平臺(tái)而言，進(jìn)行測(cè)試的是完整商品化器件，與半導(dǎo)體廠商可以進(jìn)行裸片測(cè)試想?yún)^(qū)別，導(dǎo)致器件引線電感難以忽略。另外，由于測(cè)試平臺(tái)中驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)固定，Lg 對(duì)測(cè)試結(jié)果影響在阻尼驅(qū)動(dòng)情況下可等效于驅(qū)動(dòng)等效串聯(lián)電阻，因此本文對(duì)其不加詳述。圖中需要注意的是地電位位置與測(cè)試器件開關(guān)特性的傳感器接入位置：DUT 電壓測(cè)量探頭跨接于地與橋臂中點(diǎn)附近，電流傳感器串聯(lián)在DUT 發(fā)射極與地之間，這樣的接法完全是出于共地安全考慮，它直接決定了圖中所列各分布電感對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的有無(wú)。

2.2 開關(guān)測(cè)試過(guò)程分析以 DUT 從阻斷到導(dǎo)通再到阻斷為一個(gè)典型工作循環(huán)過(guò)程來(lái)分析雜散電感參數(shù)的影響，可繪制原理波形圖如圖3 所示。

圖 2 測(cè)試平臺(tái)中雜散電感的分布情況

圖 3 分布電感對(duì)測(cè)量波形的影響原理示意圖

從 t0 時(shí)刻起門極關(guān)斷信號(hào)發(fā)出，經(jīng)過(guò)一段短時(shí)間器件延時(shí)，DUT 端電壓于t1 開始上升，知道t2 時(shí)刻達(dá)到直流母線電壓，在此期間由于極間電容類似抽流的密勒效應(yīng)，門極電壓呈現(xiàn)平臺(tái)狀。t2 之后續(xù)流二極管D 得以導(dǎo)通，DUT電流開始下降，而D 電流與之互補(bǔ)上升，這一過(guò)程在圖中近似按線性過(guò)程繪出。按各自不同參考方向，Lp1、Lp4、Lc2、Le2、Lp5、Lp6 上承載的電流快速下降，而Lp2、Lc1、Le1、Lp3 的電流從零開始迅速上升，各自兩端感應(yīng)電勢(shì)均遵循電工基本原理，與電感量以及電流變化率成正比，它們的物理本質(zhì)是要為電流找到路徑，必然將所存儲(chǔ)能量轉(zhuǎn)移到DUT 等效結(jié)電容上，形成一個(gè)電壓尖峰ΔV1。然而，并不是所有這些感應(yīng)電壓都會(huì)反映到測(cè)量電壓中來(lái)，由于測(cè)量點(diǎn)的安排，DUT 的集電極以及發(fā)射極分布電感電壓以及其發(fā)射極與地之間分布電感Lp5 兩端感應(yīng)電壓都不會(huì)被測(cè)得。因此用于功耗計(jì)算的管端電壓瞬時(shí)值是要小于實(shí)際情況的，其解析表達(dá)為：

這一電壓疊加在直流母線電壓上，使得關(guān)斷損耗Eoff 形成區(qū)間t1-t2-t3 中t2-t3 段電壓增加，損耗功率增大，損失能量增加。應(yīng)該正確理解的是，沒(méi)有出現(xiàn)在公式里的三個(gè)電感量并不是不參與影響關(guān)斷損耗，從主功率回路角度來(lái)看，它們對(duì)關(guān)斷損耗的影響與上述分布電感是同向的，在實(shí)際測(cè)量中應(yīng)當(dāng)盡量減小這幾個(gè)電感值。繼續(xù)上述開關(guān)過(guò)程描述，DUT 穩(wěn)定阻斷情況下，門極導(dǎo)通信號(hào)于t4 時(shí)刻發(fā)出，經(jīng)過(guò)短暫延時(shí)后，在t5 時(shí)刻管電流開始上升，這一過(guò)程同樣近似認(rèn)為是一個(gè)線性過(guò)程進(jìn)行圖示，DUT的電流上升對(duì)應(yīng)D 電流下降，在分布電感上起到反方向效應(yīng)：Lp1、Lp4、Lc2、Le2、Lp5、Lp6上承載的電流快速上升，而Lp2、Lc1、Le1、Lp3的電流迅速下降，這一過(guò)程同樣感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，其總和為ΔV2，卻并非疊加在管電壓上，而是從其削去一塊。其解析表達(dá)與ΔV1 形式上完全一致，其中括弧內(nèi)部分可以總體定義為L(zhǎng)p，即效應(yīng)在管電壓測(cè)量中得以反映的主回路雜散電感：

同樣按電壓電流重疊造成開關(guān)損耗來(lái)分析，雜散電感使得器件開通期間管端電壓有所降低，因此對(duì)器件開通損耗Eon 呈現(xiàn)削減效應(yīng)。同樣，沒(méi)有在公式中得到體現(xiàn)的三個(gè)量并非不參與這個(gè)物理過(guò)程，在實(shí)際測(cè)量中應(yīng)盡可能減小其數(shù)值以求測(cè)量精確。2.3 驅(qū)動(dòng)回路寄生參數(shù)分析上述大量分布電感中，只有一個(gè)與其余較為不同，即DUT 的發(fā)射極雜散電感Le2。它不僅作用于主電流流經(jīng)回路，也同時(shí)存在于驅(qū)動(dòng)回路中，因此其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不但從增減管電壓角度影響開關(guān)損耗，也從增減門極驅(qū)動(dòng)電壓的角度影響開關(guān)損耗。不難直觀看到，由于門極驅(qū)動(dòng)電壓額定值低，在這方面的效應(yīng)恐怕更為突出。在 DUT 關(guān)斷期間，存在如下關(guān)系：

其中uge 是門極實(shí)際電壓，udrive 是驅(qū)動(dòng)電路施加在管腳上的電壓。主電流快速降落在發(fā)射極雜散電感上感應(yīng)出的電壓在DUT 關(guān)斷期間正向疊加在器件門極上，使得本該下降的門極電壓下降趨勢(shì)減緩，隨之進(jìn)一步延緩了關(guān)斷過(guò)程。這樣，Le2 感應(yīng)電壓從門極驅(qū)動(dòng)電路作用延長(zhǎng)了關(guān)斷管電壓、電流重疊時(shí)間，增加了關(guān)斷損耗?？疾煜喾撮_關(guān)過(guò)程，在DUT 開通期間，Le2 電流迅速上升，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相當(dāng)于對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行削減：

在開通期間，門極電壓越迅速上升到飽和導(dǎo)通值開通管電壓電流重疊時(shí)間越短，以上效應(yīng)則是在這一過(guò)程中降低了門極電壓，減慢了開通速度，拉長(zhǎng)了開通電壓電流重疊時(shí)間，對(duì)開通損耗的效應(yīng)同樣是增加。