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高压IGBT模块的特性和应用注意事项

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高压IGBT模块的特性和应用注意事项

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  新一代3300V 1200A的IGBT模块,仍保持IGBT模块的典型特性,即损耗低、噪音小和短路耐量大的特性。其饱和压降与1600V 的产品差不多,通过降低50%左右的短路电流而实现其可与1200V/1600V IGBT相比拟的较好的短路耐量。

  另外,由于门极输入和反馈电容的变化,新一代高压型IGBT表现出不同的输入特性。这在设计门极驱动时务必加以考虑。由于门极采用RC回路(阻容回路),故单位时间里电流和电压的变化量(dI/dt 和dv/dt)可以被独立地调整,从而实现在IGBT和二极管的安全工作区里使开关损耗降到最小。

  短路耐量是IGBT最重要的性能之一。短路电流被限定在额定电流的8~10倍,导致耗散功率大量提升,比如一个2KV 12KA 的IGBT,损耗将达到24MW。故对于高压型的IGBT来说,必须通过减少短路电流(Isc)实现降低损耗的目的。对于3300V的IGBT来说,其应用电路直流侧电压的典型值大约在1500V~2000V之间,为1600V IGBT的两倍,所以为了得到与1600V IGBT相同的损耗,永宏模块必须减少其电流,这可以通过采用优化的高压元胞设计,把短路电流减少到其额定电流值的5倍而得到实现。

  IGBT的元胞设计已考虑了输入和反馈电容的影响,因为它们对器件的动态传输特性有重要影响。这说明在相同的驱动条件下,高压型IGBT与1200V 和1600V的开通情况是大不相同的。

  IGBT的开通过程按时间可以分为如图Fig.1和表1所示的四个过程,如下:

  第一, 门射电压VGE小于阀值电压VTh时。其门极电阻RG和门射电容CGEI的时间常数决定这一过程。当器件的集电极电流IC 和集射电压VCE均保持不变时,CGEI就是影响其导通延迟时间tdon的唯一因素。

  第二, 当门射电压VGE达到其阀值电压?时,开通过程进入第二阶段,IGBT开始导通,其电流上升速率 dI/dt的大小与门射电压VGE 和器件的跨导gfs有如下关系: dIc/dt = gfs(Ic)*dVGE/dt,其中,dVGE/dt由器件的门极电阻RG和门射电容CGEI所决定 (对于高压型IGBT来说,门集电容CGC可忽略不计)。

  第三, 第三阶段从集电极电流达到最大值ICmax(FWD的逆向峰值电流IRM 加上负载电流IL)时开始,克服反向电压VR使二极管截止,此时IGBT的集射电压VCE开始下降,随着VCE的下降,电压可控的门集之间的场电容容抗CGC成近百倍增大。当门射驱动电压保持恒定时,所有的门极电流都被投入到对增长的CGC的放电上。因此,本阶段的导通受门极电阻和场电容的时间常数所影响。该时间常数决定器件的电压变化速率 dVCE/dt 并对器件的导通损耗造成很大的影响。

  对dIC/dt和 dVCE/dt的控制场电容增加,门射电容减少,这样的IGBT若使用一般的R-门极驱动,将导 致dI/dt值的增加和dV/dt值的减少。dI/dt 的增大引起在FWD反向恢复其间器件承受较高的压力以及由二极管的恢复而可能出现较高的负dI/dt值,从而在杂散电感的作用下导致器件过压。而低的dV/dt值引起高的开关损耗。因而唯有通过改变门极电阻RG的大小来均衡才能化解dI/dt与dV/dt大小的冲突。RG的取值务必保证dIc/dt的调节始终处于器件的安全工作区内,但这样一来dV/dt的值就会很低导致开通损耗不能接受。因此,解决的方法是采用RC门极驱动,即在IGBT的门射之间再接入附加电容CGE。通过该电容来调节上述开通第二过程中门射电压和电流变化率dIc/dt的上升,不过,CGE对开通的第三过程没什么影响,因为没有引起dVGE /dt的改变。dVCE/dt升高使得器件的开通损耗减少,控制门极电阻使FWD上的dV/dt的变化值不超过其临界值。门极电阻RG确定之后,就可通过调节外接的CGE来设定合适的dIc/dt值。

  采用RC-门极驱动的结果,dIc/dt 的设定值约为5kA/μs,而不同的dVCE/dt值由不同的RC值所决定。适当地选择RC值可使器件的开通损耗大量降低甚至超过50%。

  高压IGBT和二极管在开关速度上都有其局限性。当dIF/dt为续流二极管FWD的限值时,则关断时IGBT的dVCE/dt值为其最大值。当然可以通过改变IGBT的门极驱动条件来调节这两个限值的变化。FWD的截止受IGBT开通的驱动条件控制。关断时务必保证IGBT处于其安全工作区内。为了独立控制开通时的dV/dt 、dI/dt及关断时的 dV/dt,必须采用三个无源元件,如图Fig.4显示,采用标准的±15V的门极驱动时,可以通过开通门极电阻Ron(调节dVon/dt)、关断门极电阻Roff(调节dVoff/dt)和门射电容CGE(调节dIon/dt)来调节IGBT/FWD限值的变化斜率。电容CGE对IGBT关断时的dI/dt影响很小。

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