脈沖器件開通關(guān)斷會(huì)引起什么問題

什么是窄脈沖現(xiàn)象

IGBT作為一種功率開關(guān)，從門級(jí)信號(hào)到器件開關(guān)過程需要一定反應(yīng)時(shí)間，就像生活中開關(guān)門太快容易擠壓手一樣，過短的開通脈沖可能會(huì)引起過高的電壓尖峰或者高頻震蕩問題。這種現(xiàn)象隨著IGBT被高頻PWM調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，時(shí)常會(huì)無奈發(fā)生，占空比越小越容易輸出窄脈沖，且IGBT反并聯(lián)續(xù)流二極管FWD在硬開關(guān)續(xù)流時(shí)反向恢復(fù)特性也會(huì)變快。以1700V/1000A IGBT4 E4來看，規(guī)格書中在結(jié)溫Tvj.op=150℃時(shí)，開關(guān)時(shí)間tdon=0.6us，tr=0.12us和tdoff=1.3us， tf=0.59us，窄脈沖寬度不能小于規(guī)格書開關(guān)時(shí)間之和。在實(shí)際應(yīng)用中，由于負(fù)載特性的不同像光伏和儲(chǔ)能絕大數(shù)都時(shí)功率因數(shù)為+/-1，其窄脈沖會(huì)在靠近電流零點(diǎn)附近出現(xiàn)，像無功發(fā)生器SVG，有源濾波APF功率因數(shù)為0，其窄脈沖會(huì)出現(xiàn)在最大負(fù)載電流附近，實(shí)際應(yīng)用中電流過零點(diǎn)附近更容易出現(xiàn)輸出波形上的高頻振蕩，EMI問題隨之而來。

窄脈沖現(xiàn)象的原因

從半導(dǎo)體基本原理上看，窄脈沖現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是由于IGBT 或FWD剛開始開通時(shí)，不會(huì)立即充滿載流子，當(dāng)在載流子擴(kuò)散時(shí)關(guān)斷IGBT或二極管芯片，與載流子完全充滿后關(guān)斷相比，di/dt可能會(huì)增加。相應(yīng)地在換流雜散電感下會(huì)產(chǎn)生更高的IGBT關(guān)斷過電壓，也可能會(huì)引起二極管反向恢復(fù)電流突變，進(jìn)而引起snap-off現(xiàn)象。但該現(xiàn)象與IGBT和FWD芯片技術(shù)、器件電壓和電流都緊密相關(guān)。

先要從經(jīng)典的雙脈沖示意圖出發(fā)，下圖為IGBT門極驅(qū)動(dòng)電壓、電流和電壓的開關(guān)邏輯，從IGBT的驅(qū)動(dòng)邏輯看，可以分為窄脈沖關(guān)斷時(shí)間toff，實(shí)際是對(duì)應(yīng)二極管FWD的正向?qū)〞r(shí)間ton，其對(duì)反向恢復(fù)峰值電流、恢復(fù)速度都有很大影響，如圖中A點(diǎn)，反向恢復(fù)最大峰值功率不能超過FWD SOA的限制；和窄脈沖開通時(shí)間ton，這個(gè)對(duì)IGBT關(guān)斷過程影響比較大，如圖中B點(diǎn)，主要是IGBT關(guān)斷電壓尖峰和電流拖尾振蕩。

圖1.驅(qū)動(dòng)雙脈沖

但太窄脈沖器件開通關(guān)斷會(huì)引起什么問題呢？實(shí)際應(yīng)用中那最小脈沖寬度限制是多少比較合理呢？這些問題用理論和公式很難推導(dǎo)出萬能公式來直接計(jì)算，理論分析和研究也比較少。從實(shí)際測(cè)試波形和結(jié)果來看圖說話，分析和總結(jié)應(yīng)用的特點(diǎn)和共性，更有利于幫助大家認(rèn)識(shí)這種現(xiàn)象，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)避免問題出現(xiàn)。

IGBT窄脈沖開通

IGBT做為主動(dòng)開關(guān)，用實(shí)際案例來看圖說話這個(gè)現(xiàn)象更有說服力，來點(diǎn)有料干貨。

以大功率模塊IGBT4 PrimePACK? FF1000R17IE4為測(cè)試對(duì)象，在Vce=800V，Ic=500A，Rg=1.7Ω Vge=+/-15V，Ta=25℃條件下ton變化時(shí)器件關(guān)斷特性，紅色為集電極Ic，藍(lán)色為IGBT兩端電壓Vce，綠色為驅(qū)動(dòng)電壓Vge。脈沖ton從2us減小到1.3us看這個(gè)電壓尖峰Vcep的變化，下圖直觀的給出測(cè)試波形漸進(jìn)看變化過程，尤其圈中所示。

當(dāng)ton《=1.3us時(shí)，IGBT此時(shí)已經(jīng)處于線性區(qū)，沒有完全導(dǎo)通，此時(shí)開關(guān)損耗會(huì)很大，關(guān)斷電流Ic出現(xiàn)突變引起大di/dt，IGBT關(guān)斷會(huì)出現(xiàn)高頻振蕩。

改變電流Ic，在Vce維度看看ton引起的特性變化。左右圖為分別在相同Vce=800V、1000V條件下，不同電流Ic時(shí)電壓尖峰Vce_peak。從各自測(cè)試結(jié)果看，ton在小電流時(shí)，對(duì)電壓尖峰Vce_peak的影響比較??；當(dāng)關(guān)斷電流增加話，窄脈沖關(guān)斷時(shí)容易出現(xiàn)電流突變，隨之引起高電壓尖峰。以左右圖為坐標(biāo)對(duì)比，ton在當(dāng)Vce和電流Ic越高時(shí)對(duì)關(guān)斷過程影響越大，更容易出現(xiàn)電流突變現(xiàn)象。從測(cè)試看這個(gè)例子FF1000R17IE4，最小脈沖ton最為合理時(shí)間不要小于3us。

大電流模塊和小電流模塊在這個(gè)問題上表現(xiàn)有差異嗎？以FF450R12ME3中等功率模塊為例，下圖為不同測(cè)試電流Ic在ton變化時(shí)候的電壓過沖。

類似結(jié)果，小電流條件低于1/10*Ic下ton對(duì)關(guān)斷電壓過沖影響可以忽略。當(dāng)電流增加到額定電流450A，甚至2*Ic電流900A，電壓過沖隨ton寬度變化就非常明顯。為了測(cè)試極端條件下工況的特性表現(xiàn)，3倍額定電流為1350A，電壓尖峰已經(jīng)超過阻斷電壓，被芯片嵌在一定電壓水平，與ton寬度無關(guān)。

下圖是在Vce=700V，Ic=900A時(shí)ton=1us和20us的對(duì)比測(cè)試波形。從實(shí)際測(cè)試看，該模塊脈沖寬度在ton=1us已經(jīng)開始振蕩，電壓尖峰Vcep比ton=20us要高出80V。因此，建議不要最小脈沖時(shí)間不要小于1us。

FWD窄脈沖開通

FWD窄脈沖開通

在半橋電路中，IGBT關(guān)斷脈沖toff對(duì)應(yīng)的就是FWD開通時(shí)間ton，下圖可以看出當(dāng)FWD開通時(shí)間小于2us時(shí)候，在額定電流450A時(shí)，F(xiàn)WD反向電流峰值會(huì)增大。當(dāng)toff大于2us時(shí)，F(xiàn)WD反向恢復(fù)峰值電流基本不變。

用IGBT5 PrimePACK?3+FF1800R17IP5來觀察大功率二極管特性，尤其小電流條件下隨ton變化，下面一排展示在VR=900V，1200V條件下，在小電流IF=20A條件下兩個(gè)波形的直接對(duì)比，很明顯在ton=3us時(shí)候，示波器已經(jīng)hold不住這個(gè)高頻振蕩的幅值。這也引證在大功率器件應(yīng)用中負(fù)載電流過零點(diǎn)的高頻振蕩和FWD短時(shí)反向恢復(fù)過程有緊密關(guān)系。

直觀波形看完后，用實(shí)際數(shù)據(jù)來進(jìn)一步量化對(duì)比這個(gè)過程，二極管的dv/dt和di/dt隨toff變化，越小FWD導(dǎo)通時(shí)間，其反向特性會(huì)變快。當(dāng)FWD兩端的VR越高時(shí)，隨著二極管導(dǎo)通脈沖變窄，其二極管反向恢復(fù)速度會(huì)加快，具體看數(shù)據(jù)在ton=3us條件下：

VR=1200V時(shí)：

dv/dt=44.3kV/us；di/dt=14kA/us；

VR=900V時(shí)：

dv/dt=32.1kV/us；di/dt=12.9kA/us。

鑒于ton=3us時(shí)候，波形高頻振蕩更加劇烈， 并超出了二極管安全工作區(qū)，從二極管FWD角度看導(dǎo)通時(shí)間不要小于3us。

在高壓3.3kV IGBT以上規(guī)格書中已經(jīng)對(duì)FWD正向?qū)〞r(shí)間ton進(jìn)行了明確定義和需求，以2400A/3.3kV HE3為例如下，其已經(jīng)明確給出最小二極管導(dǎo)通時(shí)間10us作為限制，這主要是大功率應(yīng)用中系統(tǒng)回路雜散電感比較大，開關(guān)時(shí)間比較長(zhǎng)，在器件開通過程中瞬時(shí)容易超過二極管最大允許功耗PRQM。

從模塊實(shí)際測(cè)試波形和結(jié)果看，看圖說話有一些基本總結(jié)：

脈沖寬度ton對(duì)IGBT關(guān)斷小電流（大約1/10*Ic）時(shí)影響較小，實(shí)際可以忽略。

IGBT關(guān)斷大電流時(shí)候?qū)γ}沖寬度ton有一定依賴性，ton越小電壓尖峰V越高，且關(guān)斷電流拖尾會(huì)突變，發(fā)生高頻振蕩。

FWD特性隨導(dǎo)通時(shí)間變短其反向恢復(fù)過程會(huì)加速，越短FWD導(dǎo)通時(shí)間會(huì)引起很大dv/dt和di/dt，尤其小電流條件下。另外，高壓IGBT都給出明確最小二極管導(dǎo)通時(shí)間tonmin=10us。

在低壓IGBT應(yīng)用中比較難對(duì)最小允許開通窄脈沖去定義和計(jì)算，推薦精確地測(cè)量來調(diào)整去評(píng)估IGBT和FWD。文中的實(shí)際測(cè)試波形已經(jīng)給出了一些參考最小時(shí)間，起到拋磚引玉的作用。