IEEE翻译：调查大功率IGBT关断对缓冲电容器的影响

1、调查大功率IGBT关断缓冲电容的影响R.T.Naayagi，英国，梅德韦ME44TB，格林威治大学，工程学院，工程系统部，t.n.ramasamygreenwich.ac.ukR. Shuttleworth 和 A.J. Forsyth，英国，曼彻斯特M139PL，曼彻斯特大学，电气与电子工程学院roger.shuttleworthmanchester.ac.ukrew.forsythmanchester.ac.uk摘要-一个20千瓦双向双主动桥直流-直流转换器原型的设计和建造是为航空航天能源存储应用。这种转换器在高电压侧和低电压侧均采用大功率IGBT模块。本文对关断大功率IGBT缓冲电容的性

2、能进行了理论分析并得出实验结果。分析了1200 V,300A超快型IGBT和600 V,760A沟道型IGBT在有无缓器电容时的关闭性能。探讨了缓冲电容的变化和IGBT栅极电阻性能变化的影响。这给出了更好地理解IGBT在关断瞬间的特点。实验结果表明,缓冲电容关闭时电压应力降低和开关损失明显。相同的电容值时直接安装缓冲器优于线端缓冲器;因此它们适合高频率、高功率应用。关键词：缓冲电容，关断损耗，直接安装缓冲器，栅极电阻，大功率IGBT一、介绍最近电力电子的趋势表明，高功率密度转换器的需求日益增加1。更高功率密度可以通过增加开关频率实现。然而,开关频率的增加会导致开关损失的增加，并限制转换器的性能

3、及电力设备的能力。基于最新的功率半导体技术2 - 3，绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为功率晶体管在各种电力电子应用中已经获得了越来越多的认可4。IGBT结合了双极型传导机制和功率MOSFET管的优点，这为降低通态损耗和改进开关性能铺平了道路。对IGBT的可靠性试验研究5表明，他们是关键电力电子应用的一个潜在的候选人，如开关式电源应用。考虑IGBT的雪崩倍增效应引入关断开关的分析模型6；介绍了一种新的栅极驱动方法用于减小高功率IGBT的关断尖峰电压7。为了使用IGBT，至关重要的是要懂得关断缓冲电容如何影响IGBT的关断特性以及由此产生的关断损耗。通过使用关断缓冲电容，关断损耗显著降低并不明显。

4、本文提出的理论分析和无缓冲电容的大功率IGBT模块的关断性能实验结果，采用一个20千瓦的双主动桥（DAB）的直流-直流转换器的原型。文献8中描述了的转换器原型的工作原则，稳态分析和设计。来自赛米控的IGBT模块已经被选定为候选设备进行测试。选择这些模块是基于比较各主要设备制造商,如赛米控、宝誉斯、富士、三菱、丹尼克斯和IXYS的IGBT为类似的评级9。本文的结构如下。理论分析估计有和没有缓冲电容器的IGBT关断损耗在第2节中介绍。第3节提供了1200 V,300A超速的IGBT的测试电路并讨论了缓冲电容的影响以及IGBT关断栅极电阻性能的影响。有无缓冲电容的IGBT关断瞬变的试验结果也列于第3

5、节。600V，760A沟道型IGBT测试电路，实验结果和缓冲电容在这样的IGBT关断性能的影响在第4节给出。最后，第5节给出结论。二、理论分析本节介绍了有无缓冲电容器的IGBT关断能量损耗的理论估算。图1描绘的关断无缓冲电容器的理想IGBT的电压和电流波形。晶体管电压迅速上升至Vin具有无上升时间和其电流开始下降的假设。能量损失可估算如下， （1）图1.无缓冲电容IGBT的电压和电流波形这种IGBT的电流的表达式可以写成， （2）把（2）代入（1）中得，进一步简化， （3）图2描述了有缓冲电容的IGBT在理想条件下的关断波形。由于在使用DAB转换器时的IGBT具有相位管脚模块，被使用的单独缓冲

6、电容跨越每个IGBT中的每个相位管脚的顶部和底部。若无电容，IGBT上的电压将以高迅速上升至Vin。如果寄生电感的存在，可能导致一个设备过电压。缓冲器通过操作设备的关断电流来减少这种高。因此，在IGBT关断时，DAB转换器的寄生电感中电流以谐振的方式向缓冲电容两端充电并向其他在同一相的IGBT缓冲器放电，直到他们的各自的电压达到相反的轨道。因此，流过IGBT和缓冲电容C1的电流可以写成， （4） （5）图2.有缓冲电容的IGBT关断开关波形缓冲电容器的充电电压由下式给出， （6）然后估计缓冲电容关断期间的能量损失， （7）把电容器电压和IGBT电流的方程式代入（7）中，能量损失的表达进一步简化

7、， （8）当，时代入（6）给出，因此缓冲电容的值 （9）把缓冲电容方程（9）代入到能量损耗方程（8）中，新能源损耗方程由下式给出，有缓冲电容的IGBT能量损失 （10）因此，假定当缓冲加到IGBT的最终电流不改变时，预测有缓冲电容器的关断开关能量损失为无缓冲电容器时的1/6。该假设分析表明，在关断期间缓冲电容允许在器件电压显著上升之前器件电流下降，从而降低关断开关损耗到其无缓冲电容值的16.7。因此，缓冲器关断过程中通过限制其两端电压的上升时间来降低开关的电压应力。DAB转换器在高电压侧使用1200V，300A的超快型IGBT，低电压侧使用600V，760A的沟道型IGBT。在20kH开关频率

8、下，测试了在高电压侧540V，80A关断和在低压侧125V，300A关断。这些数字在未来航空系统中是典型的8。下面的章节介绍这些IGBT的关断性能的实验结果。三、1200V，300A IGBT的关断性能带有540V的直流电压等级与电感性负载的测试电路示于图3。IGBT的测试由相位改变通过值为39H的空心电感连接的两个半桥臂的电压。这提供了一个在电感两端的高频准方波电压。电路设计存在100F高频聚丙烯滤波电容。外部6.6mF电解电容器组加入到输入侧以过滤在供电侧的输入纹波电流。图3.1200V，300A超快型IGBT的测试电路每相的IGBT进行反相工作具有50的固定的占空比。每相的顶部和底部的I

9、GBT之间，允许2.2s的一个短的死区时间，这个时间大于缓冲器的充电时间。两个半桥臂之间的时间延迟是，其中的为开关周期和是占空比。A.缓冲电容的影响各IGBT均在540V，80A的关断电流与20千赫开关频率和它们之间连接的缓冲电容的各种值下测试。Rogowski电流探头（CWT1N型）用于测量IGBT的电流。Lecroy高压差分探头（ADP305型）用于测量IGBT的电压。测得的各种缓冲器的栅极电阻（RG）为3的关断损失列于表1。表1 测量1200V，300A的IGBT关断损耗与各种缓冲电容在540V，80A，当RG=3时的关断状态参数47nF22nF10nF4.7nF无缓冲器最终电流（A）1

10、219283913最终时间（s）1.11.00.930.670.62关断损失（W）3747748767缓冲电容器显著影响了关断特性。缓冲器产生振荡由于在关断瞬间IGBT模块的寄生电感和缓冲电容之间引起共振。因此，关断损耗比为缓冲电容较低值的无缓冲值更高。但是由于有限的，更高的缓冲电容值降低关断损耗。当缓冲电容器值增加时，最终电流的幅度减小。然而，由于减少最终时间增加。这表明，一个显著电压是需要驱除过量电荷载体。因此，由于增加的最终电流以较低的，连接缓冲器的开关损耗的减少显著小于在第II节的理论分析预测。B.栅极电阻的影响引入了缓冲电容，最终电流持续时间变长。为了减少最终电流持续时间，IGBT栅

11、极电阻从3变化到4，6.8和8.2。对增加栅极电阻的IGBT进行了测试，针对连接他们两端的缓冲电容的不同值。已经发现，增加的栅极电阻减小了最终电流持续时间。然而，初始电流下降时间的增加将导致额外的开关损耗。其结果是，增加的栅极电阻观察到关断损失无显著改善。此外，降低到低于3的栅极电阻并没有减少关断损耗。图4描绘了增加栅极电阻值时IGBT的关断损耗。从图4中可以注意到，增加关断损失的发生是由于对缓冲电容增加栅极电阻的最值。图4.各种值下缓冲电容器关断损耗增加的栅极电阻C.直接安装缓冲器的性能直接安装缓冲器和值为22nF的线端缓冲器之间的比较，在11kV/s的金属化聚丙烯薄膜类型的等级下，表明直接

12、安装缓冲器优于线端缓冲电容。根据情况而定，值为22nF的选择是为了使两者之间的公平比较。由于IGBT模块提供的直接安装缓冲器，直接安装缓冲器能减少振荡在开关瞬变与连接引线的低ESL和ESR期间。在短引线的线端缓冲器情况下，外部连接引线必须被焊接到高功率IGBT的两端。这增加了ESL和降低的性能。图5示出的直接安装和线端缓冲电容器的照片。图5.照片中值为22nF直接安装缓冲（左）和值为22nF,11kV/s线端缓冲电容器（右）这两个缓冲器在540V，80A，20kH开关条件下的关断性能已列于表2。直接安装缓冲器的IGBT关断损耗是11W（19）比其对应低。因此，直接安装缓冲器更适合高功率，高频率

13、的应用。表2.测量1200V，300A IGBT具有22nF直接安装（DM）和线端的缓冲电容在540V，80A关断下的关断损耗关断特性22nF线端缓冲器22nF直接安装缓冲器初始电流下降引起的损耗（W）83最终电流（A）1919最终电流引起的损耗（W）4539振荡引起的损耗（W）55总关断损耗（W）5847D.测试结果图6和图7示出了1200V，300A的IGBT（A1）具有一个47nF的缓冲器和没有缓冲电容器时候的关断瞬间。在图6中涉及到预测没有缓冲器的每个IGBT关断损失是72W和测得没有缓冲工作条件的损失是67W。图6. 无缓冲器的1200V，300A超快型IGBT关断瞬间=540V，L

14、 =39H，=363V，=65.6A，=20kH，=80A，=3图7. 具有47nF的缓冲器的1200V，300A超快型IGBT 关断瞬间=540V，L =39H，=20kH，=80A，=363V，=65.6A，=3由于没有缓冲器和精心设计的电路布局。图6中所示的关断瞬态是几乎自由寄生振荡。从图6中可以清楚地看出，在IGBT在关断过程中已经经受了高压，这会导致高的开关损耗。当缓冲器连接IGBT两端时，由于电路杂散电感和缓冲器电容，在切换过程期间观察振荡器（参见图7）。虽然缓冲电容器引入振铃，观察到大大减少了开关损耗。由于有限的，缓冲器显著降低了关断损耗。这是从图7显而易见的。所测量的有缓冲器的

15、损耗是37W。连接有缓冲电容器的开关损耗是无电容器的55，这明显多于理论分析所预测（20），原因是最终电流以较低的增加。这两种情况关断损耗的属性列于表3。表3.有无47nF缓冲电容器的1200V，300A超快型IGBT关断损耗属性关断损耗属性无缓冲器有47nF缓冲器2580598402376最终电流（A）1312588592峰值功率损耗（W）281162583初始电流下降引起的能量损耗2.25mJ11uJ最终电流引起的能量损耗1.11mJ1.67mJ振荡引起的损耗0175uJ四、600V，760A沟道型IGBT的关断性能本节介绍600V，760A沟道型栅极技术高结温的IGBT在125V，300

16、A关断与20 kHz的开关频率的关断性能。测试电路示于图8。两个半桥臂通过值为4.17H的空芯电感连接起来。IGBT通过相位移位由电感器连接的两个半桥臂上的电压达到最大值检测。类似于前面部分，为了平滑输入纹波电流，19.8mF的外部电解电容器组被加入到直流电源。一个敏感度为2mV/ A 的CWT15 Rogowski电流探头用来测量器件电流。图8.600V，760A沟道型IGBT的测试电路A.缓冲电容的影响沟道型IGBT具有较低集电极至发射极的饱和电压和总开关能量，这导致减小的功率耗散和更大的功率密度。这些IGBT两端接不同的缓冲电容器，在125V，300A电流以20kHz的开关频率进行了测试

17、。测得的关断损耗被描绘在图9中。当缓冲电容器被连接在各IGBT的两端，电流和电压波形发生严重振荡，由于在杂散电感模块（为15nH - 20nH）和缓冲电容器的连接处所添加的电容器发生谐振。测量的振铃频率是2.3MHz，紧密地与杂散电感和缓冲器电容计算的值相匹配。图9. 600V，760A沟道型IGBT与多种缓冲器在125V，300A，20 kHz及RG=2. 5时的关断损耗由于通过缓冲电容器值在整个范围内产生振荡，关断开关损耗无显著减少。220nF的缓冲器被发现，以减少关断开关损耗，但是由于过度振荡他们也显著增加了在转换器中的传导损耗和总损耗。因此，很显然220nF的缓冲电容不是一个合适的选择

18、。100nF的缓冲电容被发现，以从源头上减少总输入功率除了限制电压上升斜率。B.测试结果图10和图11示出了一个600V，760A的IGBT（C1）有无100nF的缓冲电容器时的关断瞬间。预测无缓冲电容器的每个IGBT关断损耗为146W和无电容器所测量的损耗为140W，在图10中提到的工作条件下。测量具有100nF缓冲电容器的损耗是135W。连接缓冲电容器的开关损耗是没有电容器的96.2，这明显多于预测的损耗（16.67），由于增加的最终电流有更低的，还由于振荡的增加。但是，列于表4的关断损失属性表明，大大减少具有100nF的缓冲电容器的，因而降低了设备的应力。图10.无缓冲电容的600V，7

19、60A沟道型IGBT关断瞬间 =125V，L=4.17H，=106V，=202A，=20kHz，=300A，=2.5图11. 具有100nF的缓冲电容器的600V，760A沟道型IGBT关断瞬间=125V，L =4.17H，=106V，=202A，=20kHz，=300A，=2.5表4. 有无100nF的缓冲电容器的600V，760A沟道型IGBT的关断损耗属性关断损耗属性无缓冲器有100nF缓冲器10606591112551最终电流（A）6695161206峰值功率损耗（W）4400123193初始电流下降引起的能量损耗5.28mJ3.61uJ最终电流引起的能量损耗1.52mJ2.98mJ振

20、荡引起的损耗236uJ182uJ五、结论本文采用一个具有电容式缓冲器的20千瓦的DAB转换器，提出了大功率IGBT的理论分析和实验结果。分析了1200V，300A的超快型IGBT和600V，760A沟道型IGBT在有无缓冲电容器时的关断性能。与具有电容器的IGBT相比，IGBT的关断损耗比没有缓冲器时的关断开关损耗减少了。但是各IGBT间减少的量不同。关断损耗在很大程度上取决于IGBT的类型和开关特性。测试结果表明，在一个缓冲的存在下，IGBT的最终电流振幅可以减小，但是最终时间增加。这表明一个显著电压需要强制过量电荷载体出去。虽然增加的栅极电阻减小了损失，但由于最终电流，其增加了总的关断损耗

21、。具有47nF的缓冲电容器的1200V，300A超快型IGBT表现出的关断损耗减少了45。在沟道型IGBT具有相当低的通态损耗，但实验结果表明，电容缓冲器在高功率工作时没有显著降低开关损耗。然而，具有电容缓冲器的沟道型IGBT关断损耗属性表明IGBT的电压应力被显著降低。致谢R.T.Naayagi感谢罗尔斯·罗伊斯公司和英国工程和物理科学研究理事会（EPSRC），在曼彻斯特大学通过霍奇金研究生奖给她的博士助学金。参考文献1 N. Luther-King, E.M.S. Narayanan, L. Coulbeck, A. Crane, and R.Dudley, “Compariso

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