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基于变门极电阻的IGBT软关断实现
新一代绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的关断速度越来越快,有些IGBT的电流下降时间已经缩短至50 ns内.虽然这样有利于提高IGBT的开关频率,但也会带来一些问题.短路情况下的硬关断所产生的过高电压尖峰足以击穿IGBT.为抑制高电压尖峰的产生,主要描述了在大功率IGBT发生短路的情况下,通过改变门极电阻来实现IGBT软关断的方案,并给出了该方案的具体实现方法.硬短路和软短路情况下的实验结果证明所提出的方案是有效可行的.
CHENG Shan-mei
YU Meng-chun
YAO Wen-hai
作者单位：
华中科技大学,湖北武汉,430074
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万方数据电子出版社影响IGBT使用时的几大因素
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影响IGBT使用时的几大因素
影响IGBT使用时的几大因素
作者：微叶科技 时间： 17:31
1.&IGBT的选型
& & & &IGBT的粗选型有两个方面。一个是根据电路的容量选择合适的IGBT，另一个是根据电路结构和应用场合选择合适的IGBT模块。
& & & &IGBT虽然是大功率器件，但是其设计比较充分地挖掘了半导体材料的潜力，对于过压过流非常敏感，任何尖峰都有可能使IGBT永久失效，因此选择IGBT必须留有足够的电压电流裕量。但是另一方面，又要尽量控制裕量的大小，尽管裕量越大，使用就越安全，但是容量大的IGBT不仅价格更贵，而且越高的耐压意味着越高的饱和压降，越大的耐流意味着越大的截止漏电流，对于电源的效率都将产生影响。
& & & &当确定好1GBT的耐压耐流参数后，可以根据实际应用的情况选择合适的IGBT集成模块，如同之前看到的一样，有适用于很多种电路拓扑结构的IGBT模块。我们经常使用的是集成两个IGBT的模块，如三菱的D系列IGBT。利用这种模块也可以实现其他各种拓扑电路，但是如果使用的环境有特殊的要求，例如空间比较紧张或对于IGBT参数的统一性较高，媳可以使用大规模的集成模块，如三菱的M系列IGBT，在一个模块上同时集成了三相整流桥和三相全桥逆变。
2．IGBT的栅极驱动保护
& & & &IGBT的栅极类似于MOSFET的绝缘栅，具有较高的输人阻抗，属于电压驱动型，除了在开通和关断的过程中对寄生电容CGE充电以及放电会产生一些功率，IGBT饱和状态时几乎没有电流索取。但是栅极的高阻抗只是说在安全电压以内的情况，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，一般20~30&V的电压就可以将其击穿，因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一，因此在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸。通常可以看到，出厂的IGBT模块其栅极与发射极引出端子间已经被厂家短接，以防止静电。在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极闯的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感，在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。如果不能保证驱动信号是完全安全的，还可以增加稳压二极管以抑制毛刺电压。此外，在栅极—发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位会升高，这时1GBT可能会误导通，后果相当严重。因此，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只10&kΩ左右的电阻。
& & & & 综上，如图1是一个栅极保护电路。
图1&IGBT栅极保护电路
& & & &栅极保护电路应该尽可能地靠近栅极，一般会将其制作成一个小的PCB直接套接在IGBT的栅极接线端子上。
& & & &对于栅极的驱动电压，不仅要保证不能超过击穿电压（一般不能超过20&V）还要保证有足够的驱动电压（一般不能低于12V），因为从图1中可以看到，如果栅极驱动电压不足，则IGBT会工作在主动区域，长时间如此，IGBT将产生大量的热损耗，导致损坏，一般将IGBT的驱动电压VGG+保证在(15±10%)V的水平。在关断的时候也要保证有足够的负压，负压即能保证尽量完全关断IGBT，也能尽量加快关断速度，还能保证在截止状态下防止IGBT集电极—发射极间出现的dv/dt噪声引起开关误开通，一般栅极负偏压VGC—取—5&V。
3．浪涌电流以及尖峰电压
& & & &从图2中可以看到，IGBT在开通的时候会出现浪涌电流，而关断的时候会出现尖峰电压，这两者都会造成IGBT的过度损耗且影响IGBT的寿命，严重时会直接损坏IGBT，因此一般都会在电路中为IGBT设计专门的吸收电路。
图2&IGBT开关时间示意图
4．IGBT的温度
& & & &IGBT在工作时会产生大量的损耗并且直接转化成热，而lGBT的半导体结构是非常热敏感的，当前lGBT内部PN结的最高耐温一般为150℃，超过这个温度就认为IGBT会损坏，因此必须要对IGBT的温度进行严格的控制，除了添加散热片及采取主动散热措施以外，还要进行过热关断保护，即温度超过警戒值便停止电源的工作。由于150℃是IGBT内部的温度，因此警戒温度的阀值要充分考虑到热传导的损失来留出合适的裕量。根据情况，人们经常把度设定在85℃、100℃、125℃等值。
& & & &温度对IGBT的参数影响很大，在手册上，有些参数是以室温25℃为标准的，而有些手册上，考虑到IGBT经常不会在室温的条件下运行，于是给出的参数是在结温125℃时测得的，读者在阅读的时候一定要多加注意。
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软特性650V IGBT：低电磁干扰和电压尖峰的优化器件
添加：不详
1 引言该器件专门设计用于中高电流应用。相对于600v igbt3，全新芯片具备更出色的关断软度和更高的阻断电压功能。此外，该器件的短路能力大幅增强。而600v igbt3主要适用于低功率应用或杂散电感很低的高功率应用。图1 全新650v igbt4的截面图2 650v igbt4的设计与技术全新的650v igbt4[1]采用沟槽mos-top-cell薄片技术和场终止概念，如图1所示。沟槽与场终止技术的结合，带来相对低的通态和关断损耗。相对于600v igbt3，该芯片的厚度增加约15%，mos沟道的宽度降低约20%。因此，关断软度得以改进，从而降低电磁干扰。当然，这些措施也会引起额外损耗。为弥补这些负面影响，将背部射极的能效提高了50%。除了优化动态性能，阻断电压也提高了50v，达到650v。图2程的软度比较(在econodualtm3模块上测量)3 650v igbt4动态特性的结果杂散电感与电流变化率的结合影响着器件的开通和关断电压特性，可以表示为vδ=l×di/dt。因此，如果器件关断时电感lσ较大，电压尖峰就会升高。关断行为对栅极电阻很不敏感。这是沟槽场截止igbt的一大特性［6］。这种固有的igbt性能带来的后果是，需要采用集成igbt保护功能和/或吸收电容等其他组件的特殊驱动器。所有这些功能和组件增大了设计难度和成本。对于大电流场合，由于较高的di/dt，直流母线电路需设计极小寄生电感。因此，可选用具备软开关特性的专用igbt，例如全新的650v igbt4。如图2所示，600v igbt3(快速)和650v igbt4(软度)在开关性能方面差别明显，采用高电流600aeconodualtm3模块进行对比。研究选用的是lσ=60nh的标准直流电路设计。这种设计对于高电流600v igbt3并不太合适[5]。因此，在25℃、300v的直流电压下，对50%inom(ic=300a)电流关断时，600v igbt3会产生一个很高的过冲电压vce_max 和阶跃振荡。相反，特别为这种高电流应用设计的650v igbt4，即使典型直流电压达到300v，仍然显示出平滑的关断特性和很低的过冲电压vce_max。图3 电流突变对电磁干扰的影响；ff600r07me4(黑色曲线)软关断时电压曲线的fft与ff600r06me3(红色曲线)的电流突变开关事件在给定的测试设置中，600v igbt3器件达到了600v阈值，而650v igbt4显示出了530v的更小电压尖峰。除了降低电压尖峰，还提高了阻断电压功能vce_max，带来了关断时安全裕度增大的优势。igbt的关断特性和软度对栅极电阻都很不敏感。改进关断软度可降低电磁干扰。如图3所示为软和非软关断波形的傅立叶转换频谱图。当振荡频率为f=20~25mhz(这是芯片直流振荡器在规定寄生电感下非常典型的频率)左右时，振荡电平达到原来的5倍。尽管这种方法不能预测能否通过emi认证，但它明显显示出电磁干扰对电流突变现象敏感。所有设计中最重要的方面是改进直流母线的设计，旨在防范其他任何类型的振荡。对于高能效设计而言，一个简单的原则是电感越低越好。另一方面，在关断时更软的开关行为必须付出更高的损耗(eoff)，在t=25℃下，饱和电压略微提高δvcesat≈100mv。但是考虑到常规的开关频率，这种损耗增加无关紧要。该事实可以在图4明显看出。iposim，是英飞凌设计的一种功率仿真程序，可以在英飞凌网站()找到。它可以完成针对所有组件的开关和通态损耗的计算，不但考虑开关和导通损耗，同时也考虑热问题。从图4 可以看出，由于650v igbt4的损耗增大引起的rms模块电流降低的幅度很小。在2khz至10khz的开关频率范围内(通用应用的典型范围)，其降幅为4%至 9%。图4 iposim的仿真结果图4 在600a econodualtm 3 模块中，计算作为600v igbt3(1代表tvjop=150°c，3代表tvjop=125°c)和新型650v igbt4(2代表tvjop=150°c、4代表tvjop=125°c)的开关频率函数的rms电流。采用iposim工具获得的计算结果可在网站找到。模拟条件：rthheatsink=0.09k/w、tambient=40°c、tvj-op=150°c和tvj-op=125°c、cos(j)=1。除了标准操作，这种设计还必须具备结实耐用性，能够承受故障。功率半导体数据表中的参数值是硬短路电流(isc)的规范。图5 650v igbt4的短路脉冲测试结果4 短路鲁棒性尽管场终止型igbt相对于非穿通型(npt)设计大大降低了硅片厚度，但它仍然具有良好的短路鲁棒性[3, 4]。与600v igbt3相比，新型650v igbt4的短路鲁棒性有显著的增强。硅片厚度的增加，带来硅片体积热容量的增加，从而可以提供更大的热预算。 另外，沟道宽度的减小降低了短路电流的水平，这种效应反之亦然[5]。总之，650v igbt4可以抵抗更高的短路能量，从而使器件能够耐受更长的短路脉冲时间而不会损坏。图中所示为650v igbt4的典型硬短路脉冲测试结果。如图5所示，短路脉冲时间达到了10微秒，并且短路电流通常约是ff600r07me4器件标称电流的4 倍。图中所示为集电极-发射极电压vce(1曲线)、集电极电流ic(2曲线)、栅极-发射极电压vge(3曲线)。测试条件：vce=360v、vge=±15v、tvj=150℃。在规定短路时间内(由600v igbt3的6微秒增至650v igbt4的10微秒)，该器件具备出类拔萃的开关性能和短路鲁棒性。5 结论利用英飞凌新型650v igbt4可开发出专用于大电流应用的逆变器设计，以部署在相应的模块中。该器件具备如下特性：● 通过改进关断软度降低电磁干扰● 通过降低关断电流变化率减小电压尖峰● 更高的阻断电压功能：vce_max=650v● 可在高直流电压和/或杂散电感下操作● 增强的短路鲁棒性：10微秒短路脉冲时间、tvj-op=150°c● 在结温升高(高达tvj-op=150°c)下的最高输出功率和在结温降低下的最高功率循环功能之间具备理想的灵活性总之，设计工程师利用650v igbt4可进行自由灵活的设计。参考文献[1] a.h鋜tl, m.b鋝sler, m.knecht, p.kanschat: “650v igbt4: the optimized device for large current modules with 10μs short-circuit withstand time”, proc. pcim europe, (2010).[2] h. rüthing et al.:“600v-igbt3: trench field stop technology in 70μm ultra thin wafer technology” proc. 15 th ispsd, 66 (2003).[3] m. otsuki et al.: “investigation on the short-circuit capability of 1200v trench gate field-stop igbts“, proc. 14th ispsd, 281 (2002).[4] t. laska et. al.: “short circuit properties of trench-/field-stop-igbts design aspects for a superior robustness”, proc. 15th ispsd, 152 (2003).[5] p. kanschat, h. rüthing, f. umbach, f. hille: “600v-igbt3: a detailed analysis of outstanding static and dynamic properties”, proc. pcim europe, 436 (2004).[6] w.rusche: infineon application note “an2003-03, switching behaviour and optimal driving of igbt3 modules” (2003).&作 者：英飞凌科技股份公司 Wilhelm Rusche Andreas H鋜tl Marco B鋝sler&
作者：未知 点击：476次
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