高压IGBT模块的特性和应用.docx

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1、高压IGBT模块的特性和应用新一代3300V1200A的IGBT模块，仍保持IGBT模块的典型特性，即损耗低、噪音小和短路耐量大的特性。其饱和压降与1600V的产品差不多，通过降低50%左右的短路电流而实现其可与1200V/1600VIGBT相比较的较好的短路耐量。另外，由于门极输入和反应电容的变化，新一代高压型IGBT表现出不同的输入特性。这在设计门极驱动时务必加以考虑。由于门极采用RC回路阻容回路，故单位时间里电流和电压的变化量dI/dt和dv/dt可以被独立地调整，进而实如今IGBT和二极管的平安工作区里使开关损耗降到最小。可靠的短路耐量短路耐量是IGBT最重要的性能之一。短路电流被限定

2、在额定电流的810倍，导致耗散功率大量提升，比方一个2KV12KA的IGBT，损耗将到达24MW。故对于高压型的IGBT来讲，必须通过减少短路电流Isc实现降低损耗的目的。对于3300V的IGBT来讲，其应用电路直流侧电压的典型值大约在1500V2000V之间，为1600VIGBT的两倍，所以为了得到与1600VIGBT一样的损耗，必须减少其电流，这可以通过采用优化的高压元胞设计，把短路电流减少到其额定电流值的5倍而得到实现。动态传输特性IGBT的元胞设计已考虑了输入和反应电容的影响，由于它们对器件的动态传输特性有重要影响。这讲明在一样的驱动条件下，高压型IGBT与1200V和1600V的开通

3、情况是大不一样的。IGBT的开通情况IGBT的开通经过按时间可以分为如图Fig.1和表1所示的四个经过,如下:第一,门射电压VGE小于阀值电压VTh时。其门极电阻RG和门射电容CGEI的时间常数决定这一经过。当器件的集电极电流IC和集射电压VCE均保持不变时，CGEI就是影响其导通延迟时间tdon的唯一因素。第二,当门射电压VGE到达其阀值电压値时，开通经过进入第二阶段，IGBT开场导通，其电流上升速率dI/dt的大小与门射电压VGE和器件的跨导gfs有如下关系：dIc/dt=gfsIcdVGE/dt其中，dVGE/dt由器件的门极电阻RG和门射电容CGEI所决定对于高压型IGBT来讲，门集电

4、容CGC可忽略不计。第三,第三阶段从集电极电流到达最大值ICmaxFWD的逆向峰值电流IRM加上负载电流IL时开场，克制反向电压VR使二极管截止，此时IGBT的集射电压VCE开场下降，随着VCE的下降，电压可控的门集之间的场电容容抗CGC成近百倍增大。当门射驱动电压保持恒定时，所有的门极电流都被投入到对增长的CGC的放电上。因此，本阶段的导通受门极电阻和场电容的时间常数所影响。该时间常数决定器件的电压变化速率dVCE/dt并对器件的导通损耗造成很大的影响。第四,开通之后，器件进入稳定的导通状态。对dIC/dt和dVCE/dt的控制场电容增加，门射电容减少，这样的IGBT假设使用一般的R-门极驱

5、动，将导致dI/dt值的增加和dV/dt值的减少。dI/dt的增大引起在FWD反向恢复其间器件承受较高的压力以及由二极管的恢复而可能出现较高的负dI/dt值，进而在杂散电感的作用下导致器件过压。而低的dV/dt值引起高的开关损耗。因此唯有通过改变门极电阻RG的大小来平衡才能化解dI/dt与dV/dt大小的冲突。RG的取值务必保证dIc/dt的调节始终处于器件的平安工作区内，但这样一来dV/dt的值就会很低导致开通损耗不能承受。因此，解决的方法是采用RC门极驱动，即在IGBT的门射之间再接入附加电容CGE。通过该电容来调节上述开通第二经过中门射电压和电流变化率dIc/dt的上升，不过，CGE对开

6、通的第三经过没什么影响，由于没有引起dVGE/dt的改变。dVCE/dt升高使得器件的开通损耗减少，控制门极电阻使上的dV/dt的变化值不超过其临界值。门极电阻确定之后，就可通过调节外接的CG来设定适宜的dIc/dt值。采用RC-门极驱动的结果，dIc/dt的设定值约为5kA/s,而不同的dVCE/dt值由不同的RC值所决定。适当地选择RC值可使器件的开通损耗大量降低甚至超过50%。IGBT的驱动条件高压IGBT和二极管在开关速度上都有其局限性。当dIF/dt为续流二极管FWD的限值时，那么关断时IGBT的dVCE/dt值为其最大值。当然可以通过改变IGBT的门极驱动条件来调节这两个限值的变化

7、。FWD的截止受IGBT开通的驱动条件控制。关断时务必保证IGBT处于其平安工作区内。为了独立控制开通时的dV/dt、dI/dt及关断时的dV/dt，必须采用三个无源元件，如图Fig.4显示，采用标准的15V的门极驱动时，可以通过开通门极电阻Ron调节dVon/dt、关断门极电阻Roff调节dVoff/dt和门射电容CGE调节dIon/dt来调节IGBT/FWD限值的变化斜率。电容CGE对IGBT关断时的dI/dt影响很小。受高压IGBT和高压FWD的平安工作区的限制，而采用带三个无源元件Ron，Roff，CGE的RC-门极驱动，通过调节来控制电压和关断电流斜率的变化。不同的输入和传输特性所引起的在门射和门集之间的容抗变化率，可由采用RC-门极驱动的方案得以补偿。