为什么在IGBT的开通暂态提取杂感更准确?

半导体守护者 2024-03-06 15:29:28

基于开通暂态测量杂散电感,一般会在IGBT双脉冲测试的第二个脉冲进行提取,因为第一个脉冲还没有电流。当IGBT第二次开通时,快速上升的di/dt会在杂散电感上感应出左正右负的电压Us,如图1a所示。这个过程IGBT电流迅速上升,二极管D1的电流按照同样的斜率快速下降。在二极管进入反向恢复过程之前,它是不会承受反向电压的。因此,这个阶段可以将图1a电路简化为图1b电路。

根据基尔霍夫电压定律就可以知道,IGBT S1上的电压Vce就等于母线电压Vdc减去杂散电感上的电压Us,反映到S1的开通电压波形上就会出现一个缺口,如图2所示。

根据缺口电压的大小以及di/dt,按照公式1就可以算出换流回路的杂散电感。

上面的这个公式是针对连续系统的,然而对于示波器来说却是一个离散采样系统,因此只能用差分近似去代替微分,即:

那问题来了,从示波器上怎样取这两个时间点才能更准确呢?这主要受两个条件的约束[1]:

1. 时间太长,会使近似条件不成立,

2. 时间太短,又会受到示波器测量误差影响(相对误差会变大)。

好在IGBT开通暂态电流上升率的线性度还是不错的,这个可以从Vce缺口电压底部的平整度就可以看出,越平说明电流变化率的线性度也就越好。这个时间段持续的时间并不长,大概也就50-100ns左右。我一般会取100ns的时间差进行电感提取,一来是因为计算比较方便,二者也能兼顾以上两条约束条件。

了解了开通暂态提取杂散电感方法后,让我们再来看看基于关断暂态提取杂散电感原理。首先让我们再简单回顾一下IGBT关断暂态的换流过程,在IGBT S1集电极电流ic迅速下降的过程中,二极管D1的电流id按照同样的斜率上升,如图3a所示。这个过程对于二极管来说会存在一定的正向恢复电压Vfrm,而且IGBT的关断电流越快,正向恢复电压Vfrm也就越大。对于二极管的正向恢复过程,前期的文章中有介绍,这里就不说了。

因此,在IGBT关断电流下降过程,可以将图3a电路简化等效为图3b。

关断暂态的实测波形如图4所示:

通过分析可以得出,关断暂态IGBT的集电极电压尖峰为:

可以看出IGBT的这个尖峰电压不但包含了杂散电感上的电压,而且还包含了二极管的正向恢复电压。这个电压在一定程度上会影响到测量精度,不要小看这个电压哦,有时可能达上百伏。当然,重点还不在这里,最重要的是IGBT的关断di/dt不太容易受门极控制,而且线性度不太好,电压尖峰持续的时间非常短,一般在几十个ns以内,因此示波器的测量相对误差也比较大。

这就是为什么提取杂散电感一般会在开通暂态提取的原因。有些小伙伴可能会问,开通暂态如果缺口电压不够明显(恭喜你,你的系统杂散电感太小了),或者底部不够平整怎么办?这个时候可以取t1 t2两个时刻中间的Us值作为杂散电感上的电压,这样能够在一定程度上提高杂散电感的测量精度。

还好对于我们应用来讲,精确的测量换流回路的杂散电感意义并不是很大,杂散电感只是作为我们是否可以进一步优化的横向对比值。最重要的还是要确保IGBT的关断尖峰在任何极端情况下都不会超出器件的的安全工作区。

最后总结一下:

1. IGBT开通暂态提取杂散电感要在二极管进入反向恢复之前提取;

2. 如果IGBT开通缺口电压底部不够平整,可以取两个时间点的中间值作为电压值;

3. 关断暂态测量不太准确的主要原因有两点:① 关断尖峰电压包含了二极管的正向恢复电压;② 关断暂态di/dt的线性度比较差,时间选取比较困难。

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