雜散電感對IGBT開關(guān)過程的影響(1)

1 簡介

IGBT的開關(guān)損耗特性研究對IGBT變流器設(shè)計具有重要的意義，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合，都需要嚴格按器件損耗特性進行大余量熱設(shè)計以保證IGBT及IGBT變流器的溫升在長期可靠性運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)動情況等因素，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如主回路雜散電感會影響IGBT的開關(guān)特性，進而影響開關(guān)損耗，任何對其開關(guān)性能的研究都必然建立在實驗測試基礎(chǔ)之上，并在實際設(shè)計中盡量優(yōu)化以降低變流回路雜散電感。

(a) 測試電路原理圖

(b) 測試波形原理圖

圖1 功率開關(guān)開關(guān)性能測試平臺原理

圖1是典型的IGBT 開關(guān)特性測試平臺工作原理，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)，用于測試，電路如圖1(a)。其中DUT 是被測試的帶反并聯(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 的對管門極反偏以確保可靠阻斷，這使得它僅僅擔當一個二極管（D）的角色，用以續(xù)流，而電感L跨接在橋臂中點與母線上，作為斬波器的負載。DUT 的門極驅(qū)動則受控可調(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 時刻開始DUT 被觸發(fā)導通，直流電壓施加于電感L 上，使得其電流從零開始線性上升，到時刻t1，DUT 電流（亦即電感電流）上升到所希望的測試值，關(guān)斷DUT，可進行關(guān)斷特性紀錄測量。DUT 的阻斷維持到t2 時刻，期間電感電流通過對管反并二極管續(xù)流，有輕微能量損失在續(xù)流二極管以及線圈電阻上，這一時間間隔程度選擇必須足夠長以滿足關(guān)斷性能測試的最短時間要求，同時又應該盡量短以減少電感電流因續(xù)流損耗而下降的幅度。t2 時刻DUT 再次開通，此時可在與t2 時刻類似的電壓電流條件下進行器件開通特性測試。第二次導通持續(xù)到時刻t3，時間間隔因在滿足開通測試穩(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)、原理測試獲得的。

2 實際測試平臺分析

2.1 雜散電感分布在實際測試平臺構(gòu)建中必須認識到，以上結(jié)構(gòu)、原理、分析仍然是基于理想條件下的，在實踐中往往有所出入。實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)兩個方面，在這個例子里我們著重討論分布參數(shù)對電路的影響。圖2 是考慮分布雜散電感修改后的測試平臺電路原理圖。其中直流母線等效串聯(lián)電阻忽略不計，其等效串聯(lián)電感從拓撲上看串聯(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)動等效電感以及發(fā)射極電感。對于自建測試平臺而言，進行測試的是完整商品化器件，與半導體廠商可以進行裸片測試想?yún)^(qū)別，導致器件引線電感難以忽略。另外，由于測試平臺中驅(qū)動電路相對固定，Lg 對測試結(jié)果影響在阻尼驅(qū)動情況下可等效于驅(qū)動等效串聯(lián)電阻，因此本文對其不加詳述。圖中需要注意的是地電位位置與測試器件開關(guān)特性的傳感器接入位置：DUT 電壓測量探頭跨接于地與橋臂中點附近，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測量結(jié)果影響的有無。

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

圖 2 測試平臺中雜散電感的分布情況

圖 3 分布電感對測量波形的影響原理示意圖

從 t0 時刻起門極關(guān)斷信號發(fā)出，經(jīng)過一段短時間器件延時，DUT 端電壓于t1 開始上升，知道t2 時刻達到直流母線電壓，在此期間由于極間電容類似抽流的密勒效應，門極電壓呈現(xiàn)平臺狀。t2 之后續(xù)流二極管D 得以導通，DUT電流開始下降，而D 電流與之互補上升，這一過程在圖中近似按線性過程繪出。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，各自兩端感應電勢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，必然將所存儲能量轉(zhuǎn)移到DUT 等效結(jié)電容上，形成一個電壓尖峰ΔV1。然而，并不是所有這些感應電壓都會反映到測量電壓中來，由于測量點的安排，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 兩端感應電壓都不會被測得。因此用于功耗計算的管端電壓瞬時值是要小于實際情況的，其解析表達為：

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。應該正確理解的是，沒有出現(xiàn)在公式里的三個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看，它們對關(guān)斷損耗的影響與上述分布電感是同向的，在實際測量中應當盡量減小這幾個電感值。繼續(xù)上述開關(guān)過程描述，DUT 穩(wěn)定阻斷情況下，門極導通信號于t4 時刻發(fā)出，經(jīng)過短暫延時后，在t5 時刻管電流開始上升，這一過程同樣近似認為是一個線性過程進行圖示，DUT的電流上升對應D 電流下降，在分布電感上起到反方向效應：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，這一過程同樣感應出電動勢，其總和為ΔV2，卻并非疊加在管電壓上，而是從其削去一塊。其解析表達與ΔV1 形式上完全一致，其中括弧內(nèi)部分可以總體定義為Lp，即效應在管電壓測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，因此對器件開通損耗Eon 呈現(xiàn)削減效應。同樣，沒有在公式中得到體現(xiàn)的三個量并非不參與這個物理過程，在實際測量中應盡可能減小其數(shù)值以求測量精確。2.3 驅(qū)動回路寄生參數(shù)分析上述大量分布電感中，只有一個與其余較為不同，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，也同時存在于驅(qū)動回路中，因此其感應電動勢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)動電壓額定值低，在這方面的效應恐怕更為突出。在 DUT 關(guān)斷期間，存在如下關(guān)系：

其中uge 是門極實際電壓，udrive 是驅(qū)動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減緩，隨之進一步延緩了關(guān)斷過程。這樣，Le2 感應電壓從門極驅(qū)動電路作用延長了關(guān)斷管電壓、電流重疊時間，增加了關(guān)斷損耗。考察相反開關(guān)過程，在DUT 開通期間，Le2 電流迅速上升，感應電動勢方向相當于對驅(qū)動電壓進行削減：

在開通期間，門極電壓越迅速上升到飽和導通值開通管電壓電流重疊時間越短，以上效應則是在這一過程中降低了門極電壓，減慢了開通速度，拉長了開通電壓電流重疊時間，對開通損耗的效應同樣是增加。