姜龍飛
(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所,北京100081;2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司,北京100094)
絕緣型雙極型晶體管(IGBT)正廣泛的應(yīng)用于中國(guó)高速動(dòng)車(chē)組,與傳統(tǒng)的電力晶體管(GTR)相比,其飽和壓降更低,開(kāi)關(guān)損耗??;輸入阻抗高,輸入特性與電力MOSFET類(lèi)似,同電壓電流情況下安全工作區(qū)區(qū)域更寬,具有更高的可靠性[1]。
高壓大功率IGBT相比普通低壓小功率IGBT而言,前者最典型的特點(diǎn)為輸入電容更大,也就是說(shuō),要想滿足一定的開(kāi)關(guān)速度,其需要的柵極電阻更小,柵極峰值電流更大,進(jìn)而能夠快速的對(duì)柵極電容充放電,降低IGBT的開(kāi)通損耗,但是在低柵極電阻的情況下,高的集電極電流變化率易導(dǎo)致IGBT模塊在短路時(shí)超過(guò)其安全工作區(qū)而損壞[2]。
文獻(xiàn)[3]分析了柵極電阻對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程中的影響,指出門(mén)極電阻的減少能夠降低IGBT的開(kāi)通損耗,但是會(huì)產(chǎn)生更高的dic/dt,單純改變柵極電阻往往無(wú)法做到既優(yōu)化開(kāi)關(guān)特性又降低開(kāi)通損耗,文獻(xiàn)[3]指出在柵射極并聯(lián)電容可以平衡這一對(duì)矛盾體,但是未針對(duì)這一對(duì)矛盾體的影響展開(kāi)詳細(xì)說(shuō)明。
常規(guī)的中高壓大功率IGBT往往通過(guò)引線式連接對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)板,因此不可避免的引入了柵極引線電感[4],柵極引線電感與柵極電阻串聯(lián),文獻(xiàn)[3]指出,IGBT柵射極為容性結(jié)構(gòu),在IGBT開(kāi)通過(guò)程中,柵極引線電感會(huì)阻礙柵射極電容的充電,在雙極性柵極驅(qū)動(dòng)模式下,在未達(dá)到閾值電壓之前,柵極電流便會(huì)達(dá)到最大,此時(shí)柵極被逐漸增大的電流充電,相比低柵極電感的情況,其開(kāi)通的速度更快,開(kāi)通損耗更低。由于柵極引線電感的影響,柵射極并聯(lián)外接電容實(shí)際上存在2種模式。
文中詳細(xì)分析了柵射極并聯(lián)電容2種模式下對(duì)IGBT動(dòng)態(tài)特性的影響,指出2種模式下影響開(kāi)通過(guò)程的原理不一致,并與無(wú)柵射極電容的模式進(jìn)行對(duì)比,分析了2種模式的優(yōu)缺點(diǎn),最后搭建了雙脈沖試驗(yàn)臺(tái),通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了分析的正確性,為IGBT的工程化應(yīng)用提供參考。
無(wú)并聯(lián)電容模式下IGBT的開(kāi)通過(guò)程如圖1所示,其中IGBT驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)化電路如圖1(a)所示,無(wú)并聯(lián)電容模式下IGBT開(kāi)通過(guò)程的主要波形如圖1(b)所示,由圖1(b)所知,其開(kāi)通過(guò)程可以分成4個(gè)階段進(jìn)行分析[5]:
圖1 無(wú)并聯(lián)電容模式IGBT開(kāi)通過(guò)程
階段一[t0~t1],柵極電壓由驅(qū)動(dòng)負(fù)電壓Vee升為開(kāi)通閾值電壓VGE(th),此時(shí)集電極電流為0,因此柵極電流iG只給寄生電感Lg與柵射極寄生電容CGE充電,柵集極寄生電容CGC不參與充電過(guò)程,在t1時(shí)刻,柵極電壓達(dá)到開(kāi)通閾值電壓VGE(th),由此可得關(guān)系式為式(1):
式中:VGE(th)為開(kāi)通閾值電壓,td(on)為開(kāi)通延時(shí)。由式(1)可知,IGBT的開(kāi)通延時(shí)受柵射極寄生電容CGE影響。
階段二[t1~t2],此階段集電極電流iC由0增大,隨著vCE電壓降低,柵極電流iG給柵射極電容CGE與柵集極電容CGC充電,柵極電流iG降低,柵極電壓vGE繼續(xù)增大至密勒平臺(tái)電壓Vmiller。由此可得式(2)~式(5):
式中:gm為IGBT的跨導(dǎo)。為分析方便,忽略寄生電感上的壓降,將式(2)~式(5)簡(jiǎn)化可得式(6):
式中:Cies為輸入電容,其為柵射極電容CGE與柵集極電容CGC電容的等效之和,由式(6)可知,集電極電流變化率dic/dt受柵射極電容CGE與柵集極電容CGC電容的共同影響。
階段三[t2~t3],該階段主要給柵集極電容CGC反向充電,柵極電壓vGE維持在密勒平臺(tái)電壓保持不變,集電極電流iC保持不變,此時(shí)集射極電壓vCE變化主要由于柵集極電壓vGC變化導(dǎo)致,由此可得集射極電壓變化率為式(7):
式中:vGC為柵集極電壓,Vmiller為密勒平臺(tái)電壓。
階段四[t3~t4],此階段柵極電容繼續(xù)上升至驅(qū)動(dòng)正電壓Vcc,集射極電壓vCE達(dá)到IGBT飽和壓降,開(kāi)通過(guò)程結(jié)束。
通過(guò)對(duì)IGBT開(kāi)通過(guò)程的分析可知,柵射極寄生電容CGE不僅僅影響導(dǎo)通延時(shí),而且影響集電極變化率。
常見(jiàn)的柵射極并聯(lián)電容主要是2種方式,一種是通過(guò)適配板直接并聯(lián)在柵射極GE的端子上,一種是直接在驅(qū)動(dòng)板上GE接線端子上并聯(lián)電容,GE端子并聯(lián)電容模式IGBT開(kāi)通過(guò)程如圖2所示。對(duì)于第一種情況,由于外接電容直接并聯(lián)在模塊GE端子兩側(cè),IGBT模塊驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)化電路如圖2(a)所示。
GE端子并聯(lián)電容模式的IGBT開(kāi)通主要波形如圖2(b)所示。由圖2(b)所知,其開(kāi)通過(guò)程也分為4個(gè)階段,與無(wú)并聯(lián)電容模式比較,其主要影響開(kāi)通過(guò)程的前2個(gè)階段:
圖2 GE端子并聯(lián)電容模式IGBT開(kāi)通過(guò)程
階段一[t0~t1],柵極電壓由驅(qū)動(dòng)負(fù)電壓Vee升為開(kāi)通閾值電壓VGE(th),此時(shí)集電極電流為0,因此柵極電流iG僅僅給給寄生電感Lg與柵射極等效電容CGE-Y充電,柵集極寄生電容CGC不參與充電過(guò)程,在t1時(shí)刻,柵極電壓達(dá)到開(kāi)通閾值電壓VGE(th),由此可得關(guān)系式為式(8):
由式(8)可知,相比無(wú)并聯(lián)電容模式而言,因?yàn)镃GE-Y為柵射極寄生電容與外接電容并聯(lián),并聯(lián)電容CGE-Y更大,因此該模式下開(kāi)通延時(shí)更大。
階段二[t1~t2],此階段集電極電流iC由0增大,隨著vCE電壓降低,柵極電流iG給柵射極電容CGE-Y與柵集極電容CGC充電,柵極電流iG降低,柵極電壓繼續(xù)增大至密勒平臺(tái)電壓Vmiller。由式(6)可知,其他條件一定的情況下,輸入電容越大,其集電極電流變化率越小,由于并聯(lián)外接電容,所以輸入電容變大,因此其集電極電流變化率相比無(wú)電容的模式減小。
通過(guò)對(duì)GE端子并聯(lián)電容模式的IGBT開(kāi)通過(guò)程的分析可知,并聯(lián)電容實(shí)際上增大了IGBT的輸入電容,最終導(dǎo)致開(kāi)通延時(shí)增大,集電極電流變化變慢。
相比無(wú)并聯(lián)電容的模式而言,由于柵極引線電感的存在,當(dāng)板卡上外接并聯(lián)電容時(shí),驅(qū)動(dòng)板并聯(lián)電容模式的IGBT開(kāi)通過(guò)程如圖3所示,圖1(a)的簡(jiǎn)化電路變?yōu)槿鐖D3(a)所示的簡(jiǎn)化電路。
圖3 驅(qū)動(dòng)板并聯(lián)電容模式IGBT開(kāi)通過(guò)程
驅(qū)動(dòng)板并聯(lián)電容模式下的IGBT開(kāi)通主要波形如圖3(b)所示,與無(wú)電容模式比較,其主要影響開(kāi)通的前2個(gè)階段。
階段一[t0~t1],因?yàn)镃GE-Z的存在,柵極電流iG電流需要分出iC-Z用于電容CGE-Z的充電,對(duì)于階段一,滿足的關(guān)系為式(9):
式中:iC-Z為流過(guò)并聯(lián)電容CGE-Z的電流。由式(9)可知,相比無(wú)電容的模式,流過(guò)IGBT模塊的柵極電流iG變小。
在t1時(shí)刻,滿足的關(guān)系為式(10):
由式(10)可知,其他條件不變的情況下,相比無(wú)并聯(lián)電容情況,因?yàn)闁艠O電流iG變小,使得驅(qū)動(dòng)板上并聯(lián)電容模式的導(dǎo)通延時(shí)更大。
階段二[t1~t2],忽略Lg上的壓降,簡(jiǎn)化公式可得式(11):
由式(11)所知,相比無(wú)并聯(lián)電容的情況,因?yàn)閕C-Z分流的原因使得集電極電流變化率dic/dt變小。
通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)板并聯(lián)電容模式的IGBT開(kāi)通過(guò)程的分析可知,并聯(lián)電容并不影響IGBT模塊的輸入電容,主要通過(guò)將柵極電流分流導(dǎo)致延時(shí)增大,集電極電流變化更慢。
搭建了適用于中高壓IGBT測(cè)試的雙脈沖測(cè)試臺(tái),自主設(shè)計(jì)了適用于中高壓測(cè)試的驅(qū)動(dòng)器,測(cè)試條件:輸入電壓Vin=1 800 V,集電極電流IC=1 500 A,可調(diào)電感設(shè)置為150μH。驅(qū)動(dòng)板參數(shù):導(dǎo)通電阻Ron=0.75Ω,Roff=3.2Ω,外接電容CGE=330 nF,試驗(yàn)所選用的門(mén)控線均保持一致。
在同等測(cè)試條件下不同模式開(kāi)通過(guò)程對(duì)比圖如圖4所示,無(wú)柵射極電容與在模塊GE端子上直接并聯(lián)電容模式對(duì)比圖如圖4(a)所示,由圖4(a)可知,模塊GE端子上直接并聯(lián)電容的開(kāi)通延時(shí)td(on)更小,集電極電流變化率dic/dt更低,與理論分析一致;無(wú)柵射極電容與在驅(qū)動(dòng)板并聯(lián)電容模式對(duì)比圖如圖4(b)所示,由圖4(b)可知,驅(qū)動(dòng)板并聯(lián)電容模式的開(kāi)通延時(shí)td(on)更小,集電極電流變化率dic/dt更低,與理論分析一致。
圖4 開(kāi)通過(guò)程對(duì)比圖
在同等測(cè)試條件下,無(wú)柵射極電容、模塊GE端子直接并聯(lián)電容、驅(qū)動(dòng)板并聯(lián)電容3種模式下的開(kāi)通過(guò)程主要波形如圖5所示。柵極電流對(duì)比如圖5(a)所示,驅(qū)動(dòng)板并聯(lián)電容模式因?yàn)椴⒙?lián)電容的分流導(dǎo)致柵極電流整體變低,進(jìn)而影響了集電極電流變化率,而模塊GE端子上并聯(lián)電容模式增大了輸入電容,使得柵極電流給輸入電容充電的過(guò)程變緩,進(jìn)而影響了集電極電流變化率,如圖5(b)所示,2種模式對(duì)集電極電流變化率影響的原理是不一致的。
圖5 3種模式下開(kāi)通過(guò)程主要波形對(duì)比
3種模式下開(kāi)通測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1,由測(cè)試數(shù)據(jù)可知,GE端子并聯(lián)電容模式能顯著降低集電極電流變化率dic/dt,驅(qū)動(dòng)板并聯(lián)電容模式雖然能降低集電極電流變化率,但是降低不明顯,且開(kāi)通損耗增加過(guò)大,因此在損耗要求高的場(chǎng)合,應(yīng)盡量采用GE端子并聯(lián)電容的模式。
表1 3種模式下開(kāi)通測(cè)試數(shù)據(jù)
文中詳細(xì)分析了并聯(lián)柵射極電容2種模式對(duì)IGBT模塊開(kāi)通過(guò)程的影響,指出2種模式對(duì)集電極電流變化率影響的原理是不一致的。相比無(wú)柵射極電容的模式而言,GE端子并聯(lián)電容模式與驅(qū)動(dòng)板并聯(lián)電容模式均能導(dǎo)致導(dǎo)通延時(shí)增加,集電極電流變化率降低,但是GE端子并聯(lián)電容模式能顯著降低集電極電流變化率,驅(qū)動(dòng)板并聯(lián)電容模式雖然能降低集電極電流變化率,但是降低不明顯,且會(huì)大幅度增加開(kāi)通損耗。最后搭建了雙脈沖試驗(yàn)臺(tái),通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了分析的正確性。