??IGBT技術(shù)不能落后于應(yīng)用要求。因此，英飛凌推出了最新一代的IGBT芯片以滿足具體應(yīng)用的需求。與目前逆變器設(shè)計應(yīng)用功率或各自額定電流水平相關(guān)的開關(guān)速度和軟度要求是推動這些不同型號器件優(yōu)化的主要動力。這些型號包括具備快速開關(guān)特性的T4芯片、具備軟開關(guān)特性的P4芯片和開關(guān)速度介于T4和P4之間的E4芯片。 ??表1簡單介紹了IGBT的3個折衷點，并對相應(yīng)的電流范圍給出了建議。 ??IGBT和二極管的動態(tài)損耗 ??為研究和比較這三款不同芯片在雜散電感從23nH到100nH時的開關(guān)損耗和軟度，我們選用了一種接近最優(yōu)化使用T4芯片的合理限值的模塊。因此，選擇一個采用常見的62mm封裝300A半橋配置作為平臺，而模塊則分別搭載了這三款I(lǐng)GBT芯片。 ??這三個模塊都采用了相同的高效發(fā)射極控制二極管和柵極驅(qū)動設(shè)置。圖1為實驗設(shè)置。 ??圖1：測試設(shè)置：為測試?yán)m(xù)流二極管的反向恢復(fù)特性，驅(qū)動高壓側(cè)IGBT，并將負載電感改為與低壓側(cè)二極管并聯(lián)。 ? ??圖2顯示了兩個不同雜散電感對配備IGBT-T4的300A半橋的開通波形的影響。 ??圖2：T4的開通特性：上圖顯示的是針對兩個電感（Ls=23nH和Ls=100nH）的損耗/時間曲線；下圖顯示的是電壓和電流曲線。 ??當(dāng)電流升高后，更高的雜散電感Ls不僅可以增大器件端子的電感壓降（Δu=-L*di/dt），而且還能影響電流上升速度di/dt本身。盡管寄生電感使導(dǎo)通速度減緩，但導(dǎo)通損耗卻大幅降低。 ??在該示例中，初始開關(guān)階段的損耗（見圖2中的時間戳a）隨著雜散電感的增大由30.4mW降至12mW。 ??開關(guān)事件第二階段的特點是二極管出現(xiàn)反向恢復(fù)電流峰值以及IGBT電壓進一步下降。寄生電感的增大會導(dǎo)致反向恢復(fù)電流峰值的延遲，以及第二階段開關(guān)損耗的提高。 ??因此，就整個開關(guān)事件而言，寄生電感的增大可大幅降低開通損耗。在本例中，損耗由40mW降低至23.2mW。 ? ??眾所周知，雖然在開通過程中di/dt可降低IGBT的電壓，但在關(guān)斷過程中它也會增大IGBT的電壓過沖。因此，直流母線電感的增加會增大關(guān)斷損耗。如圖3所示，關(guān)斷的開關(guān)事件可分為兩個階段。 ??圖3：小功率IGBT的關(guān)斷特性：上圖顯示的是損耗/時間的曲線（實線：L=23nH、虛線：L=100nH）；下圖顯示的是電壓和電流曲線。 ??小電感和大電感設(shè)置的電流波形在時間戳b的位置交叉。在第一開關(guān)階段直到交叉點b，采用大電感設(shè)置升高的過壓會使損耗增至36.3mJ，而小電感設(shè)置的損耗為30.8mJ。不過，在b點之后，大電感設(shè)置會產(chǎn)生較短的電流拖尾，這樣該階段的損耗會比小電感設(shè)置的損耗低1.8mJ。這一結(jié)果主要受電流拖尾降低的影響，即更快速地達到10%的值。 ??隨著雜散電感的增大，IGBT的開通損耗會降低，二極管損耗則會增大（如圖4所示）。圖4顯示了在小電感和大電感條件下二極管恢復(fù)特性的對比。 ??圖4：二極管恢復(fù)特性：上圖顯示的是針對兩個電感的損耗/時間曲線（實線：L=23nH、虛線：L=100nH），下圖顯示的是電壓和電流曲線。 ? ??顯而易見，IGBT降低的di/dt幾乎對二極管換流開始階段的損耗沒有任何影響，因為二極管電壓依然維持在零左右。在反向恢復(fù)峰值電流之后，更大雜散電感引起的二極管電壓升高決定并導(dǎo)致了額外的損耗。小電感和大電感設(shè)置的二極管拖尾電流中可再次看到交叉點c。更高的過壓使得c點之前的損耗從10.1mJ增至19.6mJ。與IGBT的情況一樣，增加的動態(tài)過壓會導(dǎo)致c點之后的拖尾電流降低，大電感設(shè)置的損耗平衡將優(yōu)化4.4mJ。總之，第一開關(guān)階段起主導(dǎo)作用，二極管損耗隨著電感的增加從24.6mJ提高至29.7mJ，增幅為20%。 ??實驗結(jié)果的總動態(tài)損耗 ??盡管在開通過程中，di/dt與寄生電感的結(jié)合可降低IGBT的電壓，但在關(guān)斷過程中，它將增大IGBT的電壓過沖。將開通與關(guān)斷過程進行左右對比，不難看出，在較大寄生電感時開通損耗的降度遠高于關(guān)斷損耗的增幅。 ??如果考慮到最新溝槽柵場截止IGBT的關(guān)斷di/dt本質(zhì)上受器件動態(tài)性能的制約，約為導(dǎo)通di/dt的一半，就可輕松理解這一趨勢。 ??在圖5中，對IGBT開通損耗、關(guān)斷損耗以及二極管換流損耗與三款I(lǐng)GBT的寄生直流母線雜散電感進行了對比。 ??圖5：開關(guān)損耗作為雜散電感Ls的函數(shù)，電感的增大將降低IGBT的開通損耗（左圖）；IGBT的關(guān)斷損耗（右圖）和續(xù)流二極管關(guān)斷損耗會隨著電感的增大而升高。 ? ??IGBT和二極管的軟度和電流突變特性 ??前文已經(jīng)表明寄生電感可能對總體損耗平衡有益。但是雜散電感還可能導(dǎo)致振蕩，比如由電流突變引起的振蕩，這可能導(dǎo)致由于或過壓限制而引起的器件使用受限。迄今為止所介紹的所有測量都是在對損耗至關(guān)重要的Tvj=150℃結(jié)溫條件下進行的。電流突變在低溫條件下更加關(guān)鍵，因為器件的載流子注入隨著溫度的降低而減少，并大幅降低用于平滑拖尾電流的電荷。因此，圖6在25℃和600V直流母線電壓的條件下，對三款芯片在額定電流下的IGBT關(guān)斷情況進行了比較。直流母線電感被作為一個參數(shù)使用。 ??圖6：開關(guān)曲線作為三款I(lǐng)GBT雜散電感LSd的函數(shù)：T4（左）、E4（中）、P4（右）；上圖為柵極電壓；下圖為電流和電壓曲線。 ??在給定的例子中，當(dāng)雜散電感約為55nH時，T4會變硬，振蕩開始發(fā)生。在相同條件下，直到直流母線電感達到約80nH，E4還依然保持了軟度。對于針對大功率而優(yōu)化的P4芯片而言，它在觀察到的電感范圍內(nèi)（20nH…100nH）都保持軟度。這種觀察結(jié)果并不出人意外，因為該IGBT是被設(shè)計用于高達3600A額定電流的大功率模塊。 ??盡管IGBT的電流突變趨勢通常在低溫和大電流下最為明顯，但續(xù)流二極管軟度通常在低溫和小電流下最為關(guān)鍵。這取決于幾個因素：因為二極管是一個載流子生命周期優(yōu)化器件，等離子體密度在小電流下最低，因此拖尾電荷隨著電流水平的降低而減弱。此外，迫使二極管換向的開關(guān)IGBT通常在低電流水平下開關(guān)速度更快。最后，二極管過壓與開關(guān)電流沒有關(guān)系，而是由二極管的反向恢復(fù)電流峰值的負斜率導(dǎo)致的，該斜率在小電流和低溫下同樣最陡。 ? ??由于快速開關(guān)瞬變（du/dt和反向恢復(fù)di/dt）的影響，直流母線振蕩可以很容易地在低電流水平下觸發(fā)，甚至是在沒有二極管電流突變的情況下。圖7介紹了續(xù)流二極管在不同雜散電感條件下的反向恢復(fù)特性。