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应对电源模块中采用IGBT技术的挑战

作者: 利发国际科技2024-07-31 11:51:28

  降低损耗并提高功率密度的有效方法是改善开关行为 。从设备设计师的角度来看,寻求提升功率转换系统的能效,这无疑是最佳的参数选择 。电源模块制造商必须将现代IGBT技术纳入产品中,以便设计师能够调整这些参数。

  由TRENCHSTOP™5 H5驱动的IGBT设计用于15至80 kHz的载波开关频率范围,具有最高650 V的阻断电压。它在TO-247等离散封装中可用 ,专为具有30至50 nH杂散电感的PCB布线路设计。

  Vincotech是一个使用这些器件的制造商,采用这些器件而不是离散封装来构建电源模块。该公司的Flow系列模块能够处理IGBT的性能 。Vincotech生产具有低内部杂散电感的电源模块 ,可以容纳多种类型的快速开关功率半导体,包括这个650V芯片 。

  封装

  Flow系列的特殊封装技术使Vincotech能够在电源模块中整合最新的芯片技术,其特点包括:

  ·无基板

  ·低内部杂散电感

  ·自由定位的辅助引脚(焊接、压配)

  ·内置直流电容器

  图1中展示的Flow 1封装采用中性点钳位(NPC)逆变器拓扑结构中的非常快速的芯片。也称为I型拓扑,主要用于太阳能和不间断电源(UPS)应用的三电平转换器。快速开关IGBT、快速二极管和集成直流电容的组合确保了紧凑电源模块(项目代码10-FY07NPA200SM02-L366F08)中的最高效率和快速开关能力 。

功率半导体

图1

  测量:直流电容器的影响

  IGBT的设计使得栅极电阻Rg几乎无法控制关断行为。在关断期间,相应的集电极-发射极电压峰值(Vcep)依赖于电流的关断速度以及在给定集电极-发射极电压Vce下,电容器和半导体之间的杂散电感L。

  该方程描述了关断时的电压过冲ΔVcep,这是一个非常著名的关系 。这一方程告诉利发国际 ,减少杂散电感或关断速率将降低IGBT上的电压过冲。

  图2显示了集成DC电容器对电源模块中集电极-发射极峰值电压的影响 。在相同测试条件下,带有集成DC电容器(橙色)和没有集成DC电容器(蓝色)的测量结果 。

功率半导体

图2

  图表清楚地表明 ,未集成DC电容器时,集电极-发射极电压Vce在关断电压峰值之后会在约218%的施加直流连接电压350V之间震荡。集成DC电容器不仅将Vcep降低至137%的直流连接电压;还抑制了震荡。

  将直流电容器尽可能靠近IGBT放置,显然是非常快速开关功率半导体的明智之举。

  测量

  表征开关行为

  无论低电感封装设计如何,都需要分析动态特性。在开关开启和关闭期间,集电极-发射极电压Vce和额定电流Ic的斜率必须得到处理,特别是在使用快速IGBT时 。这就是为什么测量专注于这些开关斜率 ,即T3的dV/dt和dI/dt(图1)。减慢功率半导体的开关速度会降低开关斜率 ,从而增加功率损耗。

igbt

图3

  图3显示了在室温(蓝色)和125°C(橙色)下,开关开启电流斜率dI/dt_on(实线)和反向恢复dI/dt_rec(虚线)的行为。

  值低于4Ω的情况未显示,原因是测量噪声。

  在25°C下,开关开启速度从4Ω开始下降 ,直到在16Ω时约为峰值的45%。温度对开关开启电流斜率有轻微但明显的影响,125°C时的dI/dt_on值始终低于25°C时的测量值 。开关开启速度从峰值到125°C时的最低值降低约47%。

  图3还显示了反向恢复电流斜率dI/dt_rec ,即曲线的峰值后电流轨迹 。温度对其影响很小;曲线非常相似,几乎相同 ,约为7Ω。

  图4显示了集电极-发射极电压的开关斜率与Rg的关系 。在4Ω以上,关断电压斜率基本保持不变 ,这证实半导体物理特性使得Rg几乎无法控制关断行为。关断dV/dt在栅极电阻范围内相当稳定;唯一明显的影响是在开关开启时。

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图4

  在低Rg时,dV/dt_on较高 ,更高的电阻值可以降低它。25°C和125°C下的开关开启行为(实线)相似。唯一的区别似乎是25°C下随后的开关开启dV/dt降低 。

  图5描绘了开关开启和关断能量。实线代表关断能量Eoff的测量;虚线显示了室温和125°C下开关开启能量(Eon)和反向恢复能量(Err)的数据。这些读数用于调查Eon、Eoff和Err在多大程度上依赖于Rg。Eon、Eoff和Err在两个温度下表现出相似的趋势 。

  随着栅极电阻增加,Eon也会增加,因为IGBT减速 ,器件损耗增加。因此,反向恢复能量略有降低,因为反向恢复峰值较低,这与图3中dI/dt_rec的行为一致。

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图5

  就dI/dt的陡峭程度而言 ,图5的插图显示,25°C(蓝色)和125°C(橙色)下的总能量Etot显示,超过4Ω的栅极电阻似乎是合理的。然而,这将需要在电流斜率和总能量损耗之间进行权衡,因为随着栅极电阻增加 ,损耗也会增加 。正如利发国际在图4中看到的,栅极电阻对关断dV/dt或Eoff几乎没有影响。

  电源模块中的IGBT

  IGBT变得越来越快 ,这使得其在电源模块中的安装变得复杂。集成的DC电容器对此非常有利,因为它们可以防止关断电压过冲。利发国际测量到的过冲从218%减少到137%。

  此外,设计师还需要在开关速度、开关损耗和dV/dt控制的电磁兼容性之间找到合适的平衡,以支持功率转换系统。利发国际的测量告诉利发国际,他们需要选择合适的栅极电阻 。对此 ,超过4Ω的电阻值似乎是一个在总能量损耗和开关斜率之间的最佳选择。然而,每个系统和应用都是不同的,必须通过适当的测量来确定每个系统的合适Rg值。

利发国际科技专注功率器件领域,为客户提供igbt、IPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片 ,是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商 。


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