改进的开关性能快速IGBT带来新的挑战

1 前言
降低动态功耗需要快速地开关功率半导体器件。一个典型的系统包括几10个并联的功率半导体器件，这些功率半导体器件在1000V直流母线上开关着数1000A的电流。由此产生的功耗对应用工程师来说特别具有挑战性，工程师们努力保持开关时间尽可能的短，但这说起来容易做起来难。
应用工程师要求更高的开关速度，同时降低动态损耗。这是因为需要以最小的PWM频率而得到一个最近似的正弦输出信号。更高的时钟频率减少了驱动系统中由谐波导致的损耗和机械应力。而最新一代的快速开关IGBT开启了各种可能性。但是，不利的一面是它们也带来了问题，就是对关断电压峰值有特别强烈的影响。

2 高效的关断控制
这项需求是明确的：功率半导体器件快速关断。然而，这本身也存在问题：除了更大的EMC干扰，关断的过程中功率半导体器件上会产生危险的电压尖峰。如果超出了允许的最大阻断电压，功率半导体器件可能被损坏，通常会造成短路。图1显示了一个在直流母线电压和交流输出端子之间带有短路电感LB的半桥。在这个例子中，晶体管T2导通时将会导致电流iZK（UCE可以忽略不计）持续上升（回路I），由式（1）表示。
(1)
其中 :
在关断期间（回路II），iZK必须在IGBT关断时间内降为零。存储在LZK内的磁场试图保持电流iZK，如果该电流是由吸收电容CZK吸收，这是可能实现的。由于该组合是一个谐振电路[3]，会产生一个谐振频率与LZK, CZK和RZK相对应的衰减正弦波叠加：

图1 直流母线和带短路电感LB（简化的）的半桥

图2 T2时刻的电压uCE和电流iC

储存在电感LZK的电磁能向吸收电容充电，吸收电容电压达到UZK+A(在t=π/2时)。
与此同时，通过短路电感LB的正向电流流过二极管D1。此外，由于该电流的影响和二极管的正向恢复（图3），产生了一个附加电压分量。
在开关操作后，还必须观察代表开路的电流分支部分。由于di/dt的存在，归总在LModule中的寄生电感确保电压峰值高并且也被叠加。

3 电压曲线uCE
关断期间晶体管T2上的电压曲线uCE（图2）包括3个部分：
uCE =UZK+uModule+uZK （3）
⑴ 恒定的直流母线电压UZK ；
⑵ LModule上较大的di/dt导致关断期间的电压曲线uModule和续流二极管D1上的较大的di/dt；
⑶ 吸收电容和直流母线电感之间的振荡，是由它们的谐振和LZK里所储存的能量导致（吸收电容上的寄生电感LSn及其引线，导致一个幅值略高的T=π/2的正弦波，因为它在关断时间仍未被放电）。
不同的部分应以真正的uCE曲线为基础来定义。这里，在关断过程开始的时刻UZK从零开始，因为吸收电容的电压仍然与直流母线电压同等级，寄生电感LZK的能量转移在这一刻才刚刚开始。
模块寄生电感所导致的电压和二极管正向恢复时间是di/dt的函数，耦合到T2时刻的关断过程中。唯一可被影响的di/dt是开关时间，因为电流量被定义为与负载相关。一旦关断过程完成，该电压部分将再次消失。只有在直流母线电路的摆动瞬态仍然可以看到。

4 直流母线电路的影响
为了尽量减少直流母线寄生电感引起的电压尖峰，吸收电容直接安装在模块上[4]。关断期间电压曲线uZK可用一个呈指数衰减的正弦波来表示：
(4)
包络线的幅值A，是直流母线电路在临近T2关断时刻之前所提供的电流以及直流母线电压恒定分量的函数。开始阶段储存在寄生直流母线电感LZK中的电磁能周期性地来回在吸收电容CZK上摆动（直流母线电容器的有效电容与CZK相比足够大，因此忽略不计），并且（因为RZK上的损耗）强度不断减小。在t=π/2时刻，当LZK的整个能量WL出现在CZK中，幅值A可确定如下（其中WC代表存储在CZK中的能量）：

其中 ：
(5)
其中：
图4显示了t=π/2时正弦波的幅值略高。这是由于LSn（但在公式中被忽略了）的影响。

图3 不同di/dt时的功率二极管正向恢复时间

图4 基于uCE和iC计算出的uZK和uModul曲线

5 模块的影响
在功率模块自身，条件是不同的。这里，为了空间和操作安全性（高温）的原因，没有安装吸收电容。因此，模块固有的寄生电感，如母排、DBC布局和绑定线上的电感，必须通过适当的设计措施来最小化。此外，关断电压尖峰只能通过合适的开关时间调制方式来改变，因为该值取决于di/dt 。
(6)
其中：
上述公式中包括作为附加元件的二极管电压UD1。该电压也表示正向恢复时间电压[1]，出现在具有大di/dt的大电流注入正向工作二极管时，即带有感性负载续流的情况。图3显示了功率二极管的电压曲线（对于不同的注入电流值），约10ns-20ns后电压达到最大值，然后下降到正常的正向电压。最高电压可以高达几100V。

6 使用示例曲线定义参数
图2中曲线的目的是展示如何定义的关键特征值。示例曲线指的是一个拥有200V直流母线电压的电路、一个0.68μF吸收电容和一个350μH短路电感的小实验装置。
6.1直流母线共享分析
为了给选定的直流母线电压定义时间常数τ，从曲线上选取了两个有意义的测量点：
(7)

对于串联谐振电路（RZK，LZK和吸收电容CZK在一个回路中），直流母线的寄生电感，可通过谐振条件的给定频率（fR =763.5 kHz）计算得到：