IGBT7的dv/dt可控性

典型脈沖寬度調(diào)制（PWM）電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，逆變器輸出脈沖電壓變化率為dv/dt，通過連接電纜加載到負(fù)載電機(jī)。脈沖電壓的峰值等于逆變器直流母線電壓VDC。電機(jī)端的峰值電壓高于逆變器的輸出電壓，可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)損壞。電機(jī)側(cè)電壓峰值的實(shí)際幅值受以下參數(shù)影響。

• 電纜和電機(jī)的阻抗

• 電纜長(zhǎng)度

• 直流母線變化率

• PWM脈沖類型

一般由PWM控制的電壓源逆變器（VSI）通過電纜連到電機(jī)，將在電機(jī)端產(chǎn)生（部分）電壓反射，其原因是電纜和電機(jī)阻抗不匹配 。從電機(jī)側(cè)反射到逆變器側(cè)的電壓又會(huì)反射到電機(jī)側(cè)，兩個(gè)電壓疊加，受信號(hào)傳遞時(shí)間影響，最終可能形成全反射電壓2U，對(duì)電機(jī)側(cè)造成較大的電壓應(yīng)力。因此，制造商通常建議，400V電機(jī)的逆變器端在最壞的情況下不能超出5kV/µs的dv/dt限值。

圖1 電機(jī)端的電壓波形示例

對(duì)于溝槽型IGBT，導(dǎo)通期間的開關(guān)速度dv/dt隨著負(fù)載電流和結(jié)溫的降低而升高。在設(shè)置門極電阻值時(shí)，通常考慮器件在10%的模塊標(biāo)稱電流ICnom、25°C的結(jié)溫及標(biāo)稱母線電壓下的性能。關(guān)斷期間的開關(guān)速度dv/dt隨著負(fù)載電流的增大而升高，因此設(shè)置關(guān)斷門極電阻值時(shí)考慮*標(biāo)稱電流下的器件性能。

IGBT的開關(guān)速度被定義為dv/dt=ΔVCE/Δtr。電壓和時(shí)間差可以用兩種不同的方式來確定。常用的方法是取在直流母線電壓的90%和10%之間的電壓和時(shí)間差，如圖2a所示。另一種方法是確定一個(gè)20%母線電壓的移動(dòng)窗口，然后確定最大梯度，如圖2b所示。

該定義被稱為dv/dtmax，可被視為最壞情況下的選型。該定義對(duì)于評(píng)估EMI也有幫助。

請(qǐng)注意，曲線形狀還取決于門極驅(qū)動(dòng)的雜散電感、門極電阻值及試驗(yàn)裝置中的寄生電容值。

圖2 FS100R12W2T7在10% ICnom和Tvj=25°C時(shí)的

導(dǎo)通開關(guān)曲線示例：

a）dv/dt10-90定義

b）dv/dtmax定義

在進(jìn)行工業(yè)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)鍵是要能按照電機(jī)絕緣要求或?yàn)闈M足EMI限制而調(diào)整電壓變化率dv/dt。為此，TRENCHSTOP™ IGBT7須具備高度的可控性。該可控性取決于器件通過調(diào)整門極電阻值（RG）來改變dv/dt的能力。而這又能影響到總開關(guān)損耗（Etot）。

圖3以模塊FS100R12W2T7為例，描繪了IGBT的dv/dt與門極電阻RG的關(guān)系。在1.8Ω的標(biāo)稱電阻（RG）下，關(guān)斷dv/dt10-90已經(jīng)低于5kV/µs，而導(dǎo)通dv/dt10-90非常接近5kV/µs。隨著RG的增大，導(dǎo)通dv/dt和關(guān)斷dv/dt都下降。導(dǎo)通dv/dt隨Rgon變化的幅度非常寬，在2kV/µs與8kV/µs之間。這意味著，RG只要稍稍高于數(shù)據(jù)表中的標(biāo)稱RG，就能使dv/dt低于5kV/µs。

圖3 FS100R12W2T7的IGBT dv/dt

與門極電阻RG的關(guān)系

TRENCHSTOP™ IGBT7數(shù)據(jù)表中只提供了在10-90%范圍內(nèi)確定的dv/dt（dv/dt10-90）值。在電機(jī)的壽命周期中，該dv/dt10-90的值必須低于特定的限值。數(shù)據(jù)表中的dv/dt曲線分別展現(xiàn)了導(dǎo)通dv/dt及關(guān)斷dv/dt與門極電阻RG的關(guān)系。導(dǎo)通dv/dt曲線是按照10%的標(biāo)稱電流和室溫繪制出的，而關(guān)斷曲線是按照標(biāo)稱電流和室溫繪制出的。需要注意的是，dv/dt值——尤其是導(dǎo)通dv/dt——不是絕對(duì)的，它還與最終的試驗(yàn)裝置有關(guān)。因此，它只能用作參考，在最終應(yīng)用時(shí)必須加以驗(yàn)證。

根據(jù)目標(biāo)dv/dt，可以通過數(shù)據(jù)表中的曲線讀取相應(yīng)的RG值。無論何時(shí)，RG越大，dv/dt就會(huì)越小。導(dǎo)通損耗Eon會(huì)隨著導(dǎo)通門極電阻Rgon的增大而顯著變大。要想降低功耗，最好盡量選取較小的Rgon。由于IGBT7能夠很好地控制導(dǎo)通dv/dt，所以可以利用較小的Rgon來降低導(dǎo)通損耗，同時(shí)將導(dǎo)通dv/dt限定在所要求的范圍以內(nèi)。關(guān)斷門極電阻Rgoff對(duì)關(guān)斷損耗Eoff的影響很小?？梢赃x用較大的Rgoff來達(dá)到較低的dv/dt，而開關(guān)損耗并無明顯增加。

IGBT的門極——發(fā)射極電容（CGE）及門極——集電極電容（CGC）都經(jīng)過了優(yōu)化，能讓IGBT7的dv/dt*可控，并擁有優(yōu)化的開關(guān)波形。CGE設(shè)計(jì)得足夠大，以避免寄生導(dǎo)通效應(yīng)。這使得IGBT7不再需要額外的門極電容。當(dāng)RGon最小而RGoff最大時(shí)，是寄生導(dǎo)通的最壞情況。額外的門極電容會(huì)增加門極振蕩風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)增加門極驅(qū)動(dòng)的功率需求。

為能更好地控制dv/dt并避免寄生導(dǎo)通效應(yīng)，IGBT7比上一代的IGBT4有更高的門極電荷（QG）。因此需確保電源和驅(qū)動(dòng)電路具有足夠大的輸出功率?？梢酝ㄟ^下面的公式計(jì)算所需的驅(qū)動(dòng)功率（PGdr）。公式中使用的QG應(yīng)根據(jù)所施加的驅(qū)動(dòng)器輸出電壓進(jìn)行選擇。

PGdr = QG x（VGE(on) – VGE(off) x fsw