IGBT模块：技术、驱动和应用课件：实际应用中的开关特性

IGBT模块：技术、驱动和应用实际应用中的开关特性IGBTModules–Technologies,DriverandApplication1IGBTModules–Technologies,DriverandApplication目录31245简介IGBT的控制电压最小开通时间死区开关速度67短路关断杂散电感的影响8安全工作区9IGBT的反向阻断电压2目录121011集成碳化硅续流二极管的硅IGBT降载开关和（准）谐振开关小结IGBTModules–Technologies,DriverandApplication3IGBTModules–Technologies,DriverandApplication简介实际应用中，IGBT及其二极管的开关特性与数据手册描述的特性会存在一定的差异。所以，需要遵守一定的规则以降低功率器件不必要的应力，保护其不被损坏。4

栅—射极UGE

高于阈值电压，

IGBT

开通

UGE

越高，集电极电流IC就越大，同时饱和压降

UGEsat

越低

饱和压降影响通态损耗

高栅—射极电压在短路时导致大短路电流因此，在应用是需要在通态损耗和故障时的最大短路电流之间折中IGBT的控制电压IGBTModules–Technologies,DriverandApplication正电压控制数据手册中其典型值为15V，一般不应该超过20V，否则短路时可能产生危险的大电流。5IGBT的控制电压所需的驱动功率低驱动IC的限制产生栅极负电压的同时节约电源功率IGBTModules–Technologies,DriverandApplication负电压控制或0V关断数据手册中的典型值值为-15V；实际情况中关断电压可选-15～0V；应用场合常常选用-10V～-5V。6密勒电容效应导致寄生开通，产生的原因在于集

电极

和发射极之间的电压变化率duCE/dt发射极的杂散电感也会引起寄生开通，产生的原因在

于负载电流的变化率diL/dtIGBTModules–Technologies,DriverandApplication小功率电力电子装置常用0V关断，但是会产生寄生开通的问题，所以需要折中考虑成本和寄生开通问题。寄生开通：指被关断的IGBT再次短时间开通的过程。IGBT的控制电压导致IGBT误开通的原因：7图a)有两个明显的集电极峰值电流。第一个是二极管的反向恢复电流造成的第二个是VT2的瞬时开通导致的IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationUGE分别为0V和-9V关断时的寄生开通的对比实验IGBT的控制电压a)开通VT1

b)开通VT1

100ns/DIV解决措施：负电压关断寄生开通8IGBT的控制电压注意：0~-15V关断电压也会影响IGBT开关时间IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationIGBT开关特性与门极控制电压UGE之间的关系（1.2kVIGBT）寄生开通500ns/DIV9驱动器的控制电压寄生开通：密勒电容IGBTModules–Technologies,DriverandApplication10IGBT的控制电压

IGBTModules–Technologies,DriverandApplication

11最小开通时间IGBTModules–Technologies,DriverandApplication模块在不同负载电流和开通时间的电压过冲Trench-FSIGBT1.2kV/450A1.7kV/450A开通时间越短导致电压过冲越大小的开通时间导致振荡12最小开通时间450A/1.2kVTrench-FSIGBT模块IGBTModules–Technologies,DriverandApplication

振荡13死区时间

关断延迟时间td(off)开通延迟时间td(on)下降时间tf驱动信号的传输延迟时间死区时间计算：IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationIGBT驱动器14死区时间根据数据手册计算最小死区时间tDT的示例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication15开关速度√开通速度只受续流二极管换流的限制(SiC续流二极管除外)√关断过程的限制因素是IGBT的阻断能力（电压等级）IGBTModules–Technologies,DriverandApplication16开关速度可以计算关断时的最大电流变化率：分别考虑额定电流和过载电流，理论关断时间为：且IGBTModules–Technologies,DriverandApplication

17短路关断SC1短路，IGBT开通前已经发生短路SC2短路，IGBT开通后发生短路实际短路电流常常超过IGBT数据手册中标注的短路电流ISC

最大结温Tvi,op升高，则ISC下降母线电压UDC或UGE增大，则ISC增大IGBTModules–Technologies,DriverandApplication短路分类：189短路关断随着栅极电压的提高，集电极电流相应的增加（不受外部条件的限制）数据手册中的转移特性描述了这种对应关系IGBTModules–Technologies,DriverandApplication19短路关断使用较小的栅极电阻RG，降低米勒电容电流IGC添加外部栅—射极电容通过快速齐纳二极管限制栅—射极电压通过快速PN二极管或肖特基二极管把栅极箝位到驱动电源正电压降低栅极工作电压到14V左右采用IGBT栅极接地的驱动电路IGBTModules–Technologies,DriverandApplication可以通过限制IGBT栅极电压来限制短路电流：外部措施可以用于限制IGBT模块的短路电流，但它们无法补偿内部栅极电阻的影响。20短路关断IGBT最大允许短路时间受节温TVi,OP和直流母线电压UDC的影响较大。通常TVi,OP越高或UDC越高，最大允许短路时间就越短。IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationFF600R12IS4FSCDATA21短路关断有源箝位低电感设计的直流母排使用吸收电容IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationSC2型短路：SC2型短路保护措施：换流回路中的寄生电感在高-diC/dt时产生最高的集-射极过电压短路回路中的等效电感，该电感可以限制短路电流，但是电感较大时可能导致短路电流增大IGBT短路关断，IGBT从饱和导通状态到退饱和状态的过渡过程。22短路关断IGBTModules–Technologies,DriverandApplication短路电感对短路电流的影响23短路关断图中对比了SC1和SC2分别在小电感和极小电感下短路的仿真结果。这三幅图比例相同且来自一个简化的仿真模型，可以明显看到短路电流峰值由短路类型决定。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication短路电感对短路电流的影响24短路关断SC2短路还可能发生一种极端情况：在关断SC2短路时，IGBT还未进入饱和区，驱动的退饱和监测电路开始工作并关断IGBT，导致器件损坏。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication1.5kA/3.3kVIGBT25短路关断IGBTModules–Technologies,DriverandApplication采用较低的栅极电阻（无法无条件地推荐）降低门极-发射极电容（如果存在）具有快速开关能力的驱动器（优化驱动信号放大电路）减少驱动内部阻抗（可以增加驱动峰值电流）SC2短路可能采取的一些措施：1.5kA/3.3kVIGBT26杂散电感对IGBT的影响换流通路中的杂散电感直流母线电容的寄生电感直流母线电容到IGBT或IGBT模块连接母排

的寄生电感IGBT或者IGBT模块的内部杂散电感IGBTModules–Technologies,DriverandApplication27杂散电感对IGBT的影响杂散电感对IGBT开通过程的影响：IGBTModules–Technologies,DriverandApplication杂散电感越大：IC相同，集电极-发射极之间电压跌落就越大。集电极电流上升率越小，即di/dt降低。开通损耗Eon就越低。杂散电感对IGBT关断过程的影响：杂散电感越大：集电极-发射极电压过冲越大。集电极电流下降率越慢，到达拖尾电流区的时间越长。拖尾电流越不明显。关断损耗Eoff越大。28杂散电感对IGBT的影响IGBTModules–Technologies,DriverandApplication杂散电感有利于IGBT开通，而不利于关断29杂散电感对IGBT的影响杂散电感有利于IGBT开通，而不利于关断IGBTModules–Technologies,DriverandApplication30杂散电感对IGBT的影响随着di/dt增加，换流回路中的杂散电感需要

足够小以防关断过电压超过IGBT的击穿电压杂散电感Lσ增加会降低拖尾电流IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationIGBT在不同杂散电感和电流变化率时的关断过压曲线Vbus:620VIGBT:1.2kV31杂散电感对IGBT的影响栅极通路杂散电感增加栅极通路杂散电感LG，会使得IGBT开通过程加快IGBTModules–Technologies,DriverandApplication32杂散电感对IGBT的影响IGBT的开关过程越快，其续流二极管的换流过程就越快，如果太快，会导致二极管电流突然关断从而引起震荡，甚至损坏二极管。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication33安全工作区IGBT反偏安全工作区和短路安全工作区：短路安全工作区34IGBTModules–Technologies,DriverandApplication30安全工作区二极管安全工作区峰值损耗功率PRQM决定了续流二极管的安全工作区。最大损耗功率受限于正向重复峰值电流IFRM。反向重复峰值电压URRM是安全工作区的右边界。在实际应用中，可以通过增加IGBT栅极电阻避免超出峰值损耗功率。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication35反向阻断电压IGBT反向阻断电压：IGBT的负载一般情况下都是感性负载，因此，IGBT需要一个反并联的续流二极管IGBTModules–Technologies,DriverandApplication36IGTBModules–Technologies,DriverandApplication集成碳化硅续流二极管的硅IGBT碳化硅肖特基二极管作为IGBT的续流二极管：可以减少IGBT的开通损耗，可以提高IGBT的开通速度目前商业化的碳化硅肖特基二极管的额定电流最大只有15A，意味着几百安排的IGBT模块必须多个碳化硅二极管芯片并联使用37集成碳化硅续流二极管的硅IGBTIGBTModules–Technologies,DriverandApplicationIGBT开通时栅极电阻较小(0.5Ω)时会发生震荡。增加栅极电阻，电流振荡减少，但开关损耗急剧上升。38集成碳化硅续流二极管的硅IGBTIGBTModules–Technologies,DriverandApplicationIGBT关断时开关过冲电压随着IGBT栅极电阻的增加而降低。关断损耗变化不明显39含有有源开关器件的开关电路被称为硬开关拓扑，当采用硬开关拓扑时，开关频率越高，产生的损耗就越大，一种有效的措施是采用开关负荷降载网络或缓冲电路。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication降载开关和（准）谐振开关40降载开关和（准）谐振开关IGBTModules–Technologies,DriverandApplication41降载开关和（准）谐振开关降低开通负载的RLD缓冲电路IGBTModules–Technologies,DriverandApplication42降载开关和（准）谐振开关IGBTModules–Technologies,DriverandAppl