田建平

摘要：IGBT作為功率設(shè)備的核心器件，在電力電子工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。為了進(jìn)一步了解電壓應(yīng)力對(duì)IGBT模塊的影響，本文搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)（選用3代IGBT采用T型三電平拓?fù)洌~定輸出線電壓315 V，電流230 A，設(shè)計(jì)輸入電壓范圍500～1 000 V），通過(guò)單脈沖試驗(yàn)對(duì)不同廠家不同型號(hào)的IGBT進(jìn)行電壓應(yīng)力分析并給出解決方案的可行性。

關(guān)鍵詞：IGBT;單脈沖;電壓應(yīng)力

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是由MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）和BJT（雙極型三極管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，IGBT作為功率設(shè)備的核心器件，在電力電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用口，，市場(chǎng)不僅追求著低成本和高功率密度，對(duì)性能和可靠性要求也更高[3，4]。IGBT的開關(guān)暫態(tài)特性限制著它的最大工作結(jié)溫、最大開關(guān)頻率、EMC性能、散熱性能、優(yōu)化電路系統(tǒng)等性能[5]。

為了進(jìn)一步了解IGBT工作性能，筆者搭建了光伏3代IGBT采用T型三電平拓?fù)?，額定輸出線電壓315 V，電流230A，設(shè)計(jì)輸入電壓范圍500～1 000V。目前備選IGBT模塊為英飛凌F3L400R12PT4_B26、西門康SKiM400TMLI12E4B、富士4MBI400VG-120R-50。英飛凌IGBT模塊已經(jīng)搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，初步的測(cè)試表明英飛凌IGBT模塊的關(guān)斷電壓應(yīng)力很大。因IGBT橋臂的耐壓為1 200 V，關(guān)斷時(shí)只承受一半的母線電壓，電壓應(yīng)力不是問(wèn)題。IGBT的鉗位耐壓值為650 V（英飛凌、西門康）或600 V（富士），關(guān)斷電壓尖峰問(wèn)題很嚴(yán)重[6]。

1??? 單脈沖測(cè)試原理

本文設(shè)計(jì)IGBT測(cè)試采用單脈沖測(cè)試，開通或關(guān)斷狀態(tài)都能測(cè)試。為方便起見(jiàn)，只對(duì)T3做單脈沖測(cè)試。單脈沖實(shí)驗(yàn)原理示意如圖1和圖2所示。

圖1為英飛凌IGBT示意圖，對(duì)T2做單脈沖測(cè)試時(shí)，短路其他IGBT門極。電壓施加于BUS+和BUS_ N功率端子，電感器并聯(lián)于BUS+和交流輸出端子。當(dāng)T2 IGBT開通時(shí)，母線電壓通過(guò)T2反并二極管D2 T3施加于電感上，電感電流線性上升，如紅色實(shí)線所示。當(dāng)?shù)竭_(dá)某時(shí)刻，T3關(guān)斷，電感電流通過(guò)T1反并聯(lián)二極管D1續(xù)流，如紅色虛線所示?？刂芓3 IGBT導(dǎo)通時(shí)間，可以改變IGBT關(guān)斷時(shí)的電流[7]。

圖2為富士IGBT單脈沖測(cè)試示意圖，選用的富士IGBT采用RB-IGBT。T3開通時(shí)，母線電壓通過(guò)導(dǎo)通的T3施加于電感上，電感電流線性上升，如紅色實(shí)線所示。當(dāng)?shù)竭_(dá)某時(shí)刻，T3關(guān)斷，電感電流通過(guò)T1反并聯(lián)二極管D1續(xù)流，如紅色虛線所示。改變T3導(dǎo)通時(shí)間可以控制T3關(guān)斷電流值的大小，如圖3所示為測(cè)試波形圖。

一般來(lái)講，IGBT模塊DC母線側(cè)都會(huì)并聯(lián)高頻Snubber電容。有母線Snubber電容情況下，IGBT關(guān)斷電壓過(guò)沖分為兩部分，如圖4所示。第一個(gè)尖峰寬度很窄，電壓值最高，見(jiàn)圖4中的ΔV1。這主要是IGBT內(nèi)部寄生電感和Snubber電容寄生電感產(chǎn)生的。第一個(gè)尖峰之后為頻率較低的衰減震蕩，造成的電CE電壓過(guò)沖為ΔV2。這主要是IGBT關(guān)斷造成電流變化，導(dǎo)致寄生電感與Snubber電容發(fā)生諧振。ΔV2受到寄生電感及關(guān)斷電流影響。

單脈沖（或雙脈沖）測(cè)試時(shí)，可以在母線兩端加Snubber電容，這樣測(cè)試中產(chǎn)生的第一個(gè)電壓過(guò)沖同實(shí)際情況基本相同，具有較大的參考價(jià)值。第二個(gè)電壓過(guò)沖受測(cè)試系統(tǒng)的母線寄生電感影響，與實(shí)際情況差異較大[8]。

2??? RCD緩沖電路對(duì)IGBT電壓應(yīng)力的影響

按照光伏2代設(shè)計(jì)，三電平逆變輸出端子可以增加RCD（電容電阻二極管）緩沖電路來(lái)吸收電壓尖峰。單脈沖測(cè)試時(shí)，也可以增加RCD緩沖電路。圖5為富士IGBT模塊T3管單脈沖測(cè)試時(shí)RCD緩沖工作示意圖，英飛凌和西門康緩沖電路類似，不再贅述。

T3關(guān)斷時(shí)，電感電流一部分通過(guò)T1反并聯(lián)二極管D1續(xù)流，一部分通過(guò)RCD緩沖電路Ds流向電容Cs，Cs電荷通過(guò)放電電阻Rs瀉放。交流輸出端子U電壓可以通過(guò)電容Cs鉗位，Cs電壓一般維持在母線電壓，因此T3關(guān)斷電壓應(yīng)力得以降低。同時(shí)直流輸入側(cè)并聯(lián)Snubber電容C_sn。

在圖5所示的測(cè)試電路中，T3的關(guān)斷電壓應(yīng)力主要受以下幾個(gè)因素影響：

1.門極驅(qū)動(dòng)電阻;

2.關(guān)斷電流;

3.Snubber電容C_sn;

4.RCD緩沖電路。

關(guān)斷電壓應(yīng)力不僅受驅(qū)動(dòng)電阻的影響，母線Snubber電容，RCD緩沖電容也會(huì)影響電壓應(yīng)力。

英飛凌IGBT模塊測(cè)試了三種外圍緩沖電路下的關(guān)斷電壓應(yīng)力：

母線Snubber電容0.68μF，無(wú)RCD緩沖，電容采用的是廈門法拉的MKP82系列金膜電容，此系列電容0.56μF型號(hào)用于光伏2代IGBT吸收;

母線Snubber電容2.2μF，無(wú)RCD緩沖，電容采用的是廈門法拉的C82系列IGBT吸收專用電容，此系列用于UPS工頻機(jī)IGBT吸收;

母線Snubber電容2.2μF，加RCD緩沖，RCD緩沖參數(shù)如下：C：0.1μF/630 V×2，D：1 200 V/60 A二極管×2，R：51Ω。

測(cè)試關(guān)斷電流分別選擇了350 A～400 A（中電流）和550 A～600 A（大電流）兩個(gè)電流范圍，其中350 A～400 A對(duì)應(yīng)110%負(fù)載工作時(shí)的最大電流，550 A～600 A對(duì)應(yīng)逐波限流電流。這兩種電流范圍是IGBT工作時(shí)兩種考核工況。圖6為英飛凌IGBT在不同驅(qū)動(dòng)電阻下的電壓應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，中等電流下，Snubber電容2.2μF電壓應(yīng)力明顯低于0.68μF。但增加了RCD緩沖后，應(yīng)力改善不明顯，且只在驅(qū)動(dòng)電阻較小時(shí)有效，驅(qū)動(dòng)電阻增大后幾乎無(wú)效果。大電流下，RCD緩沖反而起到了反作用，電壓應(yīng)力反而更高。這與英飛凌IGBT封裝有關(guān)，其輸入輸出引腳距離很遠(yuǎn)，RCD緩沖路徑太長(zhǎng)，吸收效果很差。

對(duì)英飛凌IGBT模塊，不建議增加RCD緩沖電路，通過(guò)選擇高頻特性更好的Snubber電容能有效降低關(guān)斷電壓應(yīng)力[9]。

圖7為英飛凌IGBT在不同電流下電壓應(yīng)力對(duì)比曲線。外圍緩沖電路都采用了方案2。結(jié)果可以看出，中等電流和大電流下，英飛凌IGBT應(yīng)力差異不大，驅(qū)動(dòng)電阻較大時(shí)，差異更小。因此對(duì)英飛凌IGBT來(lái)講，逐波限流時(shí)電壓應(yīng)力同正常工作時(shí)差異不大。也就是說(shuō)，通過(guò)減小逐波限流電流的方法減小電壓應(yīng)力，效果不明顯。

英飛凌IGBT模塊T3關(guān)斷典型波形如圖8。測(cè)試條件為：母線電壓300 V，驅(qū)動(dòng)電阻10Ω，關(guān)斷電流約370 A，結(jié)溫約25 ℃，外圍緩沖電路為方案2。因英飛凌IGBT模塊寄生電感較大，因此關(guān)斷電壓尖而高。英飛凌模塊在驅(qū)動(dòng)電阻較小時(shí)比較敏感，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電阻增加到一定程度，電壓應(yīng)力下降變緩慢。

3??? 電壓應(yīng)力解決方案

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，解決鉗位IGBT應(yīng)力過(guò)高問(wèn)題主要有以下兩種思路。

1）增大驅(qū)動(dòng)關(guān)斷電阻;英飛凌和西門康IGBT需要增大關(guān)斷電阻到33Ω才能將電壓過(guò)沖控制到150 V以內(nèi);富士鉗位IGBT耐壓600 V，需要將電壓過(guò)沖控制在100 V以內(nèi)，即使將驅(qū)動(dòng)電阻增加到100Ω也無(wú)法滿足降額要求。

2）采用有源鉗位驅(qū)動(dòng)，關(guān)斷電壓應(yīng)力過(guò)高時(shí)，通過(guò)CG極之間的TVS反饋，降低關(guān)斷就電壓應(yīng)力。

經(jīng)分析，以上兩種方案都存在一些弊端。

對(duì)方案1）增大驅(qū)動(dòng)電阻，存在如下幾個(gè)弊端。

A.驅(qū)動(dòng)電阻加大導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)延時(shí)增加，西門康模塊采用33Ω驅(qū)動(dòng)電阻時(shí)，驅(qū)動(dòng)關(guān)斷延時(shí)高達(dá)2.8μs，17Ω也有約2μs，預(yù)計(jì)死區(qū)時(shí)間必須達(dá)到4～5μs才能滿足要求。

B.限制橋臂IGBT開通速度。橋霄IGBT開通太快時(shí)，鉗位IGBT的CE之間電壓上升速率太快，通過(guò)CG之間的密勒電容形成位移電流，抬高鉗位IGBT的G極電壓，導(dǎo)致漏電流加大。關(guān)斷電阻越大，這個(gè)效應(yīng)越明顯。光伏2代逆變器上內(nèi)管IGBT的實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示。應(yīng)對(duì)此問(wèn)題有如下兩種方法。

方法一是關(guān)斷鉗位IGBT時(shí)采用兩段驅(qū)動(dòng)電阻，閥值電壓以上采用較大的驅(qū)動(dòng)電阻以降低關(guān)斷電壓應(yīng)力，閥值電壓以下采用較小的驅(qū)動(dòng)電阻，防止門極電壓被沖高。方法二，鉗位IGBT的GE之間并聯(lián)電容，壓制門極電壓上沖，但這種方法反過(guò)來(lái)會(huì)加大IGBT關(guān)斷延時(shí)。

探頭設(shè)置為：黃線為逆變電感電流;藍(lán)線為內(nèi)管Vce電壓紅線：內(nèi)管Vge電壓，開關(guān)損耗增加，導(dǎo)致結(jié)溫不滿足降額要求。以西門康IGBT為例，開關(guān)損耗驅(qū)動(dòng)電阻都按5Ω驅(qū)動(dòng)電阻計(jì)算。

若橋臂IGBT開通電阻由5Ω變?yōu)?0Ω，單次開通損耗由21 mJ增加到47 mJ，T1/T4開關(guān)損耗由105 W增加到162 W（輸入電壓750 V，輸出電流252 A，功率因數(shù)1），總損耗由2 152 W增加到2 493 W，增加15.6%。

若鉗位IGBT關(guān)斷電阻由5Ω變?yōu)?0Ω，單次關(guān)斷損耗由27 mJ增加到45 mJ，低壓穿越時(shí)（輸入電壓800 V，輸出電流252 A，功率因數(shù)0）T2/T3開關(guān)損耗由49.6 W增加到70.4 W，T2/T3總損耗由203.4 W增加到224 W，增加12%，進(jìn)一步增加了低壓穿越時(shí)的熱應(yīng)力。

若鉗位IGBT關(guān)斷電阻由5Ω變?yōu)?0Ω，單次關(guān)斷損耗由27 mJ增加到45 mJ，調(diào)無(wú)功時(shí)（輸入電壓750 V，輸出電流252 A，功率因數(shù)0.8）T2/T3開關(guān)損耗由10.2 W增加到14.5 W，T2/T3總損耗由96.2 W增加到100.5 W，增加4.4%。

對(duì)方案2），采用有源鉗位驅(qū)動(dòng)，存在如下風(fēng)險(xiǎn)：

1）有源鉗位驅(qū)動(dòng)我司無(wú)人采用，無(wú)調(diào)試經(jīng)驗(yàn);

2）鉗位反饋用的TVS要求很高，選型較困難，且損耗較大;

3）單邊母線過(guò)壓，如果超過(guò)有源鉗位電壓，可能導(dǎo)致IGBT進(jìn)入線性工作區(qū)，導(dǎo)致過(guò)熱燒毀。

4??? 結(jié)論

從單脈沖測(cè)試結(jié)果來(lái)看，西門康IGBT模塊關(guān)斷電壓應(yīng)力最低，在關(guān)斷電阻33 Q時(shí)能滿足電壓降額要求。如果進(jìn)一步改進(jìn)母線Snubber電容，采用用17Ω驅(qū)動(dòng)電阻，關(guān)斷延時(shí)較大。

富士模IGBT模塊采用的RB-IGBT特性較特殊，驅(qū)動(dòng)電阻很大。在驅(qū)動(dòng)電阻100Ω、采用RCD緩沖情況下電壓過(guò)沖控制在160 V左右。做到1 000 V輸入電壓工作幾乎不可能，如輸入電壓降低為900 V，適當(dāng)改進(jìn)也可能滿足要求。

英飛凌IGBT模塊電壓應(yīng)力較差，采用33 Ω較大驅(qū)動(dòng)電阻，電壓過(guò)沖也可以控制在150 V左右。

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