IEEE翻譯：調(diào)查大功率IGBT關(guān)斷對緩沖電容器的影響

1、調(diào)查大功率IGBT關(guān)斷緩沖電容的影響R.T.Naayagi，英國，梅德韋ME44TB，格林威治大學(xué)，工程學(xué)院，工程系統(tǒng)部，t.n.ramasamygreenwich.ac.ukR. Shuttleworth 和 A.J. Forsyth，英國，曼徹斯特M139PL，曼徹斯特大學(xué)，電氣與電子工程學(xué)院roger.shuttleworthmanchester.ac.ukrew.forsythmanchester.ac.uk摘要-一個20千瓦雙向雙主動橋直流-直流轉(zhuǎn)換器原型的設(shè)計和建造是為航空航天能源存儲應(yīng)用。這種轉(zhuǎn)換器在高電壓側(cè)和低電壓側(cè)均采用大功率IGBT模塊。本文對關(guān)斷大功率IGBT緩沖電容的性

2、能進行了理論分析并得出實驗結(jié)果。分析了1200 V,300A超快型IGBT和600 V,760A溝道型IGBT在有無緩器電容時的關(guān)閉性能。探討了緩沖電容的變化和IGBT柵極電阻性能變化的影響。這給出了更好地理解IGBT在關(guān)斷瞬間的特點。實驗結(jié)果表明,緩沖電容關(guān)閉時電壓應(yīng)力降低和開關(guān)損失明顯。相同的電容值時直接安裝緩沖器優(yōu)于線端緩沖器;因此它們適合高頻率、高功率應(yīng)用。關(guān)鍵詞：緩沖電容，關(guān)斷損耗，直接安裝緩沖器，柵極電阻，大功率IGBT一、介紹最近電力電子的趨勢表明，高功率密度轉(zhuǎn)換器的需求日益增加1。更高功率密度可以通過增加開關(guān)頻率實現(xiàn)。然而,開關(guān)頻率的增加會導(dǎo)致開關(guān)損失的增加，并限制轉(zhuǎn)換器的性能

3、及電力設(shè)備的能力。基于最新的功率半導(dǎo)體技術(shù)2 - 3，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）作為功率晶體管在各種電力電子應(yīng)用中已經(jīng)獲得了越來越多的認可4。IGBT結(jié)合了雙極型傳導(dǎo)機制和功率MOSFET管的優(yōu)點，這為降低通態(tài)損耗和改進開關(guān)性能鋪平了道路。對IGBT的可靠性試驗研究5表明，他們是關(guān)鍵電力電子應(yīng)用的一個潛在的候選人，如開關(guān)式電源應(yīng)用。考慮IGBT的雪崩倍增效應(yīng)引入關(guān)斷開關(guān)的分析模型6；介紹了一種新的柵極驅(qū)動方法用于減小高功率IGBT的關(guān)斷尖峰電壓7。為了使用IGBT，至關(guān)重要的是要懂得關(guān)斷緩沖電容如何影響IGBT的關(guān)斷特性以及由此產(chǎn)生的關(guān)斷損耗。通過使用關(guān)斷緩沖電容，關(guān)斷損耗顯著降低并不明顯。

4、本文提出的理論分析和無緩沖電容的大功率IGBT模塊的關(guān)斷性能實驗結(jié)果，采用一個20千瓦的雙主動橋（DAB）的直流-直流轉(zhuǎn)換器的原型。文獻8中描述了的轉(zhuǎn)換器原型的工作原則，穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計。來自賽米控的IGBT模塊已經(jīng)被選定為候選設(shè)備進行測試。選擇這些模塊是基于比較各主要設(shè)備制造商,如賽米控、寶譽斯、富士、三菱、丹尼克斯和IXYS的IGBT為類似的評級9。本文的結(jié)構(gòu)如下。理論分析估計有和沒有緩沖電容器的IGBT關(guān)斷損耗在第2節(jié)中介紹。第3節(jié)提供了1200 V,300A超速的IGBT的測試電路并討論了緩沖電容的影響以及IGBT關(guān)斷柵極電阻性能的影響。有無緩沖電容的IGBT關(guān)斷瞬變的試驗結(jié)果也列于第3

5、節(jié)。600V，760A溝道型IGBT測試電路，實驗結(jié)果和緩沖電容在這樣的IGBT關(guān)斷性能的影響在第4節(jié)給出。最后，第5節(jié)給出結(jié)論。二、理論分析本節(jié)介紹了有無緩沖電容器的IGBT關(guān)斷能量損耗的理論估算。圖1描繪的關(guān)斷無緩沖電容器的理想IGBT的電壓和電流波形。晶體管電壓迅速上升至Vin具有無上升時間和其電流開始下降的假設(shè)。能量損失可估算如下， （1）圖1.無緩沖電容IGBT的電壓和電流波形這種IGBT的電流的表達式可以寫成， （2）把（2）代入（1）中得，進一步簡化， （3）圖2描述了有緩沖電容的IGBT在理想條件下的關(guān)斷波形。由于在使用DAB轉(zhuǎn)換器時的IGBT具有相位管腳模塊，被使用的單獨緩沖

6、電容跨越每個IGBT中的每個相位管腳的頂部和底部。若無電容，IGBT上的電壓將以高迅速上升至Vin。如果寄生電感的存在，可能導(dǎo)致一個設(shè)備過電壓。緩沖器通過操作設(shè)備的關(guān)斷電流來減少這種高。因此，在IGBT關(guān)斷時，DAB轉(zhuǎn)換器的寄生電感中電流以諧振的方式向緩沖電容兩端充電并向其他在同一相的IGBT緩沖器放電，直到他們的各自的電壓達到相反的軌道。因此，流過IGBT和緩沖電容C1的電流可以寫成， （4） （5）圖2.有緩沖電容的IGBT關(guān)斷開關(guān)波形緩沖電容器的充電電壓由下式給出， （6）然后估計緩沖電容關(guān)斷期間的能量損失， （7）把電容器電壓和IGBT電流的方程式代入（7）中，能量損失的表達進一步簡化

7、， （8）當(dāng)，時代入（6）給出，因此緩沖電容的值 （9）把緩沖電容方程（9）代入到能量損耗方程（8）中，新能源損耗方程由下式給出，有緩沖電容的IGBT能量損失 （10）因此，假定當(dāng)緩沖加到IGBT的最終電流不改變時，預(yù)測有緩沖電容器的關(guān)斷開關(guān)能量損失為無緩沖電容器時的1/6。該假設(shè)分析表明，在關(guān)斷期間緩沖電容允許在器件電壓顯著上升之前器件電流下降，從而降低關(guān)斷開關(guān)損耗到其無緩沖電容值的16.7。因此，緩沖器關(guān)斷過程中通過限制其兩端電壓的上升時間來降低開關(guān)的電壓應(yīng)力。DAB轉(zhuǎn)換器在高電壓側(cè)使用1200V，300A的超快型IGBT，低電壓側(cè)使用600V，760A的溝道型IGBT。在20kH開關(guān)頻率

8、下，測試了在高電壓側(cè)540V，80A關(guān)斷和在低壓側(cè)125V，300A關(guān)斷。這些數(shù)字在未來航空系統(tǒng)中是典型的8。下面的章節(jié)介紹這些IGBT的關(guān)斷性能的實驗結(jié)果。三、1200V，300A IGBT的關(guān)斷性能帶有540V的直流電壓等級與電感性負載的測試電路示于圖3。IGBT的測試由相位改變通過值為39H的空心電感連接的兩個半橋臂的電壓。這提供了一個在電感兩端的高頻準(zhǔn)方波電壓。電路設(shè)計存在100F高頻聚丙烯濾波電容。外部6.6mF電解電容器組加入到輸入側(cè)以過濾在供電側(cè)的輸入紋波電流。圖3.1200V，300A超快型IGBT的測試電路每相的IGBT進行反相工作具有50的固定的占空比。每相的頂部和底部的I

9、GBT之間，允許2.2s的一個短的死區(qū)時間，這個時間大于緩沖器的充電時間。兩個半橋臂之間的時間延遲是，其中的為開關(guān)周期和是占空比。A.緩沖電容的影響各IGBT均在540V，80A的關(guān)斷電流與20千赫開關(guān)頻率和它們之間連接的緩沖電容的各種值下測試。Rogowski電流探頭（CWT1N型）用于測量IGBT的電流。Lecroy高壓差分探頭（ADP305型）用于測量IGBT的電壓。測得的各種緩沖器的柵極電阻（RG）為3的關(guān)斷損失列于表1。表1 測量1200V，300A的IGBT關(guān)斷損耗與各種緩沖電容在540V，80A，當(dāng)RG=3時的關(guān)斷狀態(tài)參數(shù)47nF22nF10nF4.7nF無緩沖器最終電流（A）1

10、219283913最終時間（s）1.11.00.930.670.62關(guān)斷損失（W）3747748767緩沖電容器顯著影響了關(guān)斷特性。緩沖器產(chǎn)生振蕩由于在關(guān)斷瞬間IGBT模塊的寄生電感和緩沖電容之間引起共振。因此，關(guān)斷損耗比為緩沖電容較低值的無緩沖值更高。但是由于有限的，更高的緩沖電容值降低關(guān)斷損耗。當(dāng)緩沖電容器值增加時，最終電流的幅度減小。然而，由于減少最終時間增加。這表明，一個顯著電壓是需要驅(qū)除過量電荷載體。因此，由于增加的最終電流以較低的，連接緩沖器的開關(guān)損耗的減少顯著小于在第II節(jié)的理論分析預(yù)測。B.柵極電阻的影響引入了緩沖電容，最終電流持續(xù)時間變長。為了減少最終電流持續(xù)時間，IGBT柵

11、極電阻從3變化到4，6.8和8.2。對增加?xùn)艠O電阻的IGBT進行了測試，針對連接他們兩端的緩沖電容的不同值。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，增加的柵極電阻減小了最終電流持續(xù)時間。然而，初始電流下降時間的增加將導(dǎo)致額外的開關(guān)損耗。其結(jié)果是，增加的柵極電阻觀察到關(guān)斷損失無顯著改善。此外，降低到低于3的柵極電阻并沒有減少關(guān)斷損耗。圖4描繪了增加?xùn)艠O電阻值時IGBT的關(guān)斷損耗。從圖4中可以注意到，增加關(guān)斷損失的發(fā)生是由于對緩沖電容增加?xùn)艠O電阻的最值。圖4.各種值下緩沖電容器關(guān)斷損耗增加的柵極電阻C.直接安裝緩沖器的性能直接安裝緩沖器和值為22nF的線端緩沖器之間的比較，在11kV/s的金屬化聚丙烯薄膜類型的等級下，表明直接

12、安裝緩沖器優(yōu)于線端緩沖電容。根據(jù)情況而定，值為22nF的選擇是為了使兩者之間的公平比較。由于IGBT模塊提供的直接安裝緩沖器，直接安裝緩沖器能減少振蕩在開關(guān)瞬變與連接引線的低ESL和ESR期間。在短引線的線端緩沖器情況下，外部連接引線必須被焊接到高功率IGBT的兩端。這增加了ESL和降低的性能。圖5示出的直接安裝和線端緩沖電容器的照片。圖5.照片中值為22nF直接安裝緩沖（左）和值為22nF,11kV/s線端緩沖電容器（右）這兩個緩沖器在540V，80A，20kH開關(guān)條件下的關(guān)斷性能已列于表2。直接安裝緩沖器的IGBT關(guān)斷損耗是11W（19）比其對應(yīng)低。因此，直接安裝緩沖器更適合高功率，高頻率

13、的應(yīng)用。表2.測量1200V，300A IGBT具有22nF直接安裝（DM）和線端的緩沖電容在540V，80A關(guān)斷下的關(guān)斷損耗關(guān)斷特性22nF線端緩沖器22nF直接安裝緩沖器初始電流下降引起的損耗（W）83最終電流（A）1919最終電流引起的損耗（W）4539振蕩引起的損耗（W）55總關(guān)斷損耗（W）5847D.測試結(jié)果圖6和圖7示出了1200V，300A的IGBT（A1）具有一個47nF的緩沖器和沒有緩沖電容器時候的關(guān)斷瞬間。在圖6中涉及到預(yù)測沒有緩沖器的每個IGBT關(guān)斷損失是72W和測得沒有緩沖工作條件的損失是67W。圖6. 無緩沖器的1200V，300A超快型IGBT關(guān)斷瞬間=540V，L

14、 =39H，=363V，=65.6A，=20kH，=80A，=3圖7. 具有47nF的緩沖器的1200V，300A超快型IGBT 關(guān)斷瞬間=540V，L =39H，=20kH，=80A，=363V，=65.6A，=3由于沒有緩沖器和精心設(shè)計的電路布局。圖6中所示的關(guān)斷瞬態(tài)是幾乎自由寄生振蕩。從圖6中可以清楚地看出，在IGBT在關(guān)斷過程中已經(jīng)經(jīng)受了高壓，這會導(dǎo)致高的開關(guān)損耗。當(dāng)緩沖器連接IGBT兩端時，由于電路雜散電感和緩沖器電容，在切換過程期間觀察振蕩器（參見圖7）。雖然緩沖電容器引入振鈴，觀察到大大減少了開關(guān)損耗。由于有限的，緩沖器顯著降低了關(guān)斷損耗。這是從圖7顯而易見的。所測量的有緩沖器的

15、損耗是37W。連接有緩沖電容器的開關(guān)損耗是無電容器的55，這明顯多于理論分析所預(yù)測（20），原因是最終電流以較低的增加。這兩種情況關(guān)斷損耗的屬性列于表3。表3.有無47nF緩沖電容器的1200V，300A超快型IGBT關(guān)斷損耗屬性關(guān)斷損耗屬性無緩沖器有47nF緩沖器2580598402376最終電流（A）1312588592峰值功率損耗（W）281162583初始電流下降引起的能量損耗2.25mJ11uJ最終電流引起的能量損耗1.11mJ1.67mJ振蕩引起的損耗0175uJ四、600V，760A溝道型IGBT的關(guān)斷性能本節(jié)介紹600V，760A溝道型柵極技術(shù)高結(jié)溫的IGBT在125V，300

16、A關(guān)斷與20 kHz的開關(guān)頻率的關(guān)斷性能。測試電路示于圖8。兩個半橋臂通過值為4.17H的空芯電感連接起來。IGBT通過相位移位由電感器連接的兩個半橋臂上的電壓達到最大值檢測。類似于前面部分，為了平滑輸入紋波電流，19.8mF的外部電解電容器組被加入到直流電源。一個敏感度為2mV/ A 的CWT15 Rogowski電流探頭用來測量器件電流。圖8.600V，760A溝道型IGBT的測試電路A.緩沖電容的影響溝道型IGBT具有較低集電極至發(fā)射極的飽和電壓和總開關(guān)能量，這導(dǎo)致減小的功率耗散和更大的功率密度。這些IGBT兩端接不同的緩沖電容器，在125V，300A電流以20kHz的開關(guān)頻率進行了測試

17、。測得的關(guān)斷損耗被描繪在圖9中。當(dāng)緩沖電容器被連接在各IGBT的兩端，電流和電壓波形發(fā)生嚴(yán)重振蕩，由于在雜散電感模塊（為15nH - 20nH）和緩沖電容器的連接處所添加的電容器發(fā)生諧振。測量的振鈴頻率是2.3MHz，緊密地與雜散電感和緩沖器電容計算的值相匹配。圖9. 600V，760A溝道型IGBT與多種緩沖器在125V，300A，20 kHz及RG=2. 5時的關(guān)斷損耗由于通過緩沖電容器值在整個范圍內(nèi)產(chǎn)生振蕩，關(guān)斷開關(guān)損耗無顯著減少。220nF的緩沖器被發(fā)現(xiàn)，以減少關(guān)斷開關(guān)損耗，但是由于過度振蕩他們也顯著增加了在轉(zhuǎn)換器中的傳導(dǎo)損耗和總損耗。因此，很顯然220nF的緩沖電容不是一個合適的選擇

18、。100nF的緩沖電容被發(fā)現(xiàn)，以從源頭上減少總輸入功率除了限制電壓上升斜率。B.測試結(jié)果圖10和圖11示出了一個600V，760A的IGBT（C1）有無100nF的緩沖電容器時的關(guān)斷瞬間。預(yù)測無緩沖電容器的每個IGBT關(guān)斷損耗為146W和無電容器所測量的損耗為140W，在圖10中提到的工作條件下。測量具有100nF緩沖電容器的損耗是135W。連接緩沖電容器的開關(guān)損耗是沒有電容器的96.2，這明顯多于預(yù)測的損耗（16.67），由于增加的最終電流有更低的，還由于振蕩的增加。但是，列于表4的關(guān)斷損失屬性表明，大大減少具有100nF的緩沖電容器的，因而降低了設(shè)備的應(yīng)力。圖10.無緩沖電容的600V，7

19、60A溝道型IGBT關(guān)斷瞬間 =125V，L=4.17H，=106V，=202A，=20kHz，=300A，=2.5圖11. 具有100nF的緩沖電容器的600V，760A溝道型IGBT關(guān)斷瞬間=125V，L =4.17H，=106V，=202A，=20kHz，=300A，=2.5表4. 有無100nF的緩沖電容器的600V，760A溝道型IGBT的關(guān)斷損耗屬性關(guān)斷損耗屬性無緩沖器有100nF緩沖器10606591112551最終電流（A）6695161206峰值功率損耗（W）4400123193初始電流下降引起的能量損耗5.28mJ3.61uJ最終電流引起的能量損耗1.52mJ2.98mJ振

20、蕩引起的損耗236uJ182uJ五、結(jié)論本文采用一個具有電容式緩沖器的20千瓦的DAB轉(zhuǎn)換器，提出了大功率IGBT的理論分析和實驗結(jié)果。分析了1200V，300A的超快型IGBT和600V，760A溝道型IGBT在有無緩沖電容器時的關(guān)斷性能。與具有電容器的IGBT相比，IGBT的關(guān)斷損耗比沒有緩沖器時的關(guān)斷開關(guān)損耗減少了。但是各IGBT間減少的量不同。關(guān)斷損耗在很大程度上取決于IGBT的類型和開關(guān)特性。測試結(jié)果表明，在一個緩沖的存在下，IGBT的最終電流振幅可以減小，但是最終時間增加。這表明一個顯著電壓需要強制過量電荷載體出去。雖然增加的柵極電阻減小了損失，但由于最終電流，其增加了總的關(guān)斷損耗

21、。具有47nF的緩沖電容器的1200V，300A超快型IGBT表現(xiàn)出的關(guān)斷損耗減少了45。在溝道型IGBT具有相當(dāng)?shù)偷耐☉B(tài)損耗，但實驗結(jié)果表明，電容緩沖器在高功率工作時沒有顯著降低開關(guān)損耗。然而，具有電容緩沖器的溝道型IGBT關(guān)斷損耗屬性表明IGBT的電壓應(yīng)力被顯著降低。致謝R.T.Naayagi感謝羅爾斯·羅伊斯公司和英國工程和物理科學(xué)研究理事會（EPSRC），在曼徹斯特大學(xué)通過霍奇金研究生獎給她的博士助學(xué)金。參考文獻1 N. Luther-King, E.M.S. Narayanan, L. Coulbeck, A. Crane, and R.Dudley, “Compariso

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