Was ist das Narrow-Pulse-Phänomen?
Als eine Art Leistungsschalter benötigt der IGBT eine gewisse Reaktionszeit vom Gate-Pegelsignal bis zum Schaltvorgang des Geräts. Genauso wie es im Leben leicht ist, die Hand zu schnell zu drücken, um das Gate zu schalten, kann ein zu kurzer Öffnungsimpuls zu einem zu hohen Wert führen Spannungsspitzen oder hochfrequente Schwingungsprobleme.Dieses Phänomen tritt von Zeit zu Zeit hilflos auf, da der IGBT durch hochfrequente PWM-modulierte Signale angesteuert wird.Je kleiner das Tastverhältnis ist, desto einfacher ist es, schmale Impulse auszugeben, und die Sperrverzögerungseigenschaften der antiparallelen IGBT-Erneuerungsdiode FWD werden bei hart schaltender Erneuerung schneller.Für 1700 V/1000 A IGBT4 E4 beträgt die Spezifikation in der Sperrschichttemperatur Tvj.op = 150 ℃, die Schaltzeit tdon = 0,6us, tr = 0,12us und tdoff = 1,3us, tf = 0,59us, die schmale Impulsbreite darf nicht kleiner sein als die Summe der vorgegebenen Schaltzeit.In der Praxis treten aufgrund der unterschiedlichen Lasteigenschaften wie Photovoltaik und Energiespeicherung überwiegend bei einem Leistungsfaktor von +/- 1 schmale Impulse in der Nähe des aktuellen Nullpunkts auf, wie bei einem Blindleistungsgenerator SVG, einem aktiven Filter APF, einem Leistungsfaktor von 0, Der schmale Impuls tritt in der Nähe des maximalen Laststroms auf. Bei der tatsächlichen Anwendung des Stroms in der Nähe des Nullpunkts ist es wahrscheinlicher, dass auf der Ausgangswellenform hochfrequente Schwingungen auftreten, was zu EMI-Problemen führt.
Das Phänomen des schmalen Pulses ist die Ursache
Von den Halbleitergrundlagen her liegt der Hauptgrund für das Phänomen der schmalen Impulse darin, dass der IGBT oder FWD gerade erst mit dem Einschalten begonnen hat und nicht sofort mit Trägern gefüllt ist, während sich die Träger beim Abschalten des IGBT oder Diodenchips im Vergleich zum Träger vollständig ausbreiten Nach dem Herunterfahren gefüllt, kann di/dt ansteigen.Die entsprechende höhere IGBT-Abschaltüberspannung wird unter der Kommutierungsstreuinduktivität erzeugt, was auch zu einer plötzlichen Änderung des Sperrerholungsstroms der Diode und damit zum Abschaltphänomen führen kann.Dieses Phänomen hängt jedoch eng mit der IGBT- und FWD-Chiptechnologie sowie der Gerätespannung und dem Gerätestrom zusammen.
Zunächst müssen wir mit dem klassischen Doppelimpulsschema beginnen. Die folgende Abbildung zeigt die Schaltlogik der IGBT-Gate-Ansteuerspannung, des Stroms und der Spannung.Aus der Ansteuerlogik des IGBT kann es in eine schmale Impuls-Aus-Zeit toff unterteilt werden, die tatsächlich der positiven Leitungszeit ton der Diode FWD entspricht, die einen großen Einfluss auf den Rückwärtserholungsspitzenstrom und die Erholungsgeschwindigkeit hat, wie zum Beispiel Punkt A In der Abbildung darf die maximale Spitzenleistung der Rückwärtswiederherstellung den Grenzwert von FWD SOA nicht überschreiten.und der engen Einschaltzeit des Impulses hat dies einen relativ großen Einfluss auf den IGBT-Ausschaltvorgang, wie z. B. Punkt B in der Abbildung, hauptsächlich auf die IGBT-Ausschaltspannungsspitzen und Stromnachlaufschwingungen.
Aber welche Probleme kann ein zu schmaler Impuls beim Ein- und Ausschalten des Geräts verursachen?Welche Mindestimpulsbreite ist in der Praxis sinnvoll?Für diese Probleme ist es schwierig, universelle Formeln abzuleiten und mit Theorien und Formeln direkt zu berechnen. Die theoretische Analyse und Forschung ist ebenfalls relativ gering.Von der tatsächlichen Testwellenform und den Testergebnissen bis hin zu Diagrammen, Analyse und Zusammenfassung der Merkmale und Gemeinsamkeiten der Anwendung, die Ihnen dabei helfen, dieses Phänomen besser zu verstehen und dann das Design zu optimieren, um Probleme zu vermeiden.
Einschalten mit schmalem IGBT-Puls
IGBT als aktiver Schalter ist überzeugender, wenn man tatsächliche Fälle verwendet, um das Diagramm zu sehen, um von diesem Phänomen zu sprechen, und einige materielle Trockengüter zu haben.
Unter Verwendung des Hochleistungsmoduls IGBT4 PrimePACK™ FF1000R17IE4 als Testobjekt wurden die Abschalteigenschaften des Geräts bei Spannungsänderungen unter den Bedingungen Vce=800 V, Ic=500 A, Rg=1,7 Ω, Vge=+/-15 V, Ta= ermittelt 25℃, Rot ist der Kollektor-IC, Blau ist die Spannung an beiden Enden des IGBT Vce, Grün ist die Antriebsspannung Vge.Vge.Der Impulston nimmt von 2us auf 1,3us ab, um die Änderung dieser Spannungsspitze Vcep zu sehen. In der folgenden Abbildung wird die Testwellenform schrittweise dargestellt, um den Änderungsprozess zu erkennen, insbesondere im Kreis dargestellt.
Wenn sich der Strom Ic ändert, können Sie in der Vce-Dimension die durch den Ton verursachte Änderung der Eigenschaften sehen.Die linken und rechten Diagramme zeigen die Spannungsspitzen Vce_peak bei unterschiedlichen Strömen Ic unter den gleichen Vce=800V- bzw. 1000V-Bedingungen.Den jeweiligen Testergebnissen zufolge hat ton einen relativ geringen Einfluss auf die Spannungsspitzen Vce_peak bei kleinen Strömen;Wenn der Abschaltstrom ansteigt, ist das Abschalten mit schmalen Impulsen anfällig für plötzliche Stromänderungen und verursacht in der Folge hohe Spannungsspitzen.Nimmt man die linken und rechten Diagramme als Koordinaten zum Vergleich, hat ton einen größeren Einfluss auf den Abschaltvorgang, wenn Vce und Strom Ic höher sind, und es ist wahrscheinlicher, dass es zu einer plötzlichen Stromänderung kommt.Aus dem Test, um dieses Beispiel FF1000R17IE4 zu sehen, beträgt die minimale Impulsdauer in der sinnvollsten Zeit nicht weniger als 3us.
Gibt es in dieser Frage einen Unterschied zwischen der Leistung von Hochstrommodulen und Niedrigstrommodulen?Nehmen Sie als Beispiel das Mittelleistungsmodul FF450R12ME3. Die folgende Abbildung zeigt die Spannungsüberschreitung, wenn sich der Ton für verschiedene Testströme Ic ändert.
Ähnliche Ergebnisse: Der Einfluss von ton auf das Überschwingen der Abschaltspannung ist bei niedrigen Strombedingungen unter 1/10*Ic vernachlässigbar.Wenn der Strom auf den Nennstrom von 450 A oder sogar auf den 2*Ic-Strom von 900 A erhöht wird, ist der Spannungsüberschuss mit zunehmender Tonbreite sehr offensichtlich.Um die Leistung der Eigenschaften der Betriebsbedingungen unter extremen Bedingungen, dem 3-fachen Nennstrom von 1350 A, zu testen, haben die Spannungsspitzen die Sperrspannung überschritten und werden unabhängig von der Tonnenbreite auf einem bestimmten Spannungsniveau in den Chip eingebettet .
Die folgende Abbildung zeigt die Vergleichstestwellenformen von ton=1us und 20us bei Vce=700V und Ic=900A.Beim eigentlichen Test begann die Modulimpulsbreite bei ton=1us zu schwingen und die Spannungsspitze Vcep ist 80 V höher als bei ton=20us.Daher wird empfohlen, dass die Mindestimpulszeit nicht weniger als 1us betragen sollte.
Einschalten mit schmalem Impuls FWD
In der Halbbrückenschaltung entspricht der IGBT-Ausschaltimpuls toff der FWD-Einschaltzeit ton.Die folgende Abbildung zeigt, dass die FWD-Rückstromspitze bei einem Nennstrom von 450 A ansteigt, wenn die FWD-Einschaltzeit weniger als 2 µs beträgt.Wenn toff größer als 2us ist, bleibt der Spitzenstrom der FWD-Rückwärtsverzögerung grundsätzlich unverändert.
IGBT5 PrimePACK™3 + FF1800R17IP5 Um die Eigenschaften von Hochleistungsdioden zu beobachten, insbesondere unter Niedrigstrombedingungen mit Tonänderungen, zeigt die folgende Zeile die VR = 900 V, 1200 V-Bedingungen, in den kleinen Strombedingungen IF = 20 A des direkten Vergleichs Aus den beiden Wellenformen ist klar, dass das Oszilloskop bei ton = 3us nicht in der Lage war, die Amplitude dieser Hochfrequenzschwingung zu halten.Dies beweist auch, dass die hochfrequente Schwingung des Laststroms über dem Nullpunkt in Hochleistungsgeräteanwendungen und der FWD-Kurzzeit-Reverse-Recovery-Prozess eng miteinander verbunden sind.
Nachdem Sie sich die intuitive Wellenform angesehen haben, verwenden Sie die tatsächlichen Daten, um diesen Prozess weiter zu quantifizieren und zu vergleichen.dv/dt und di/dt der Diode variieren mit toff, und je kleiner die FWD-Leitungszeit ist, desto schneller werden ihre Sperreigenschaften.Je höher der VR an beiden Enden des FWD ist, desto schmaler wird der Diodenleitungsimpuls, und die Rückwärtserholungsgeschwindigkeit der Diode wird beschleunigt, insbesondere wenn man die Daten unter ton = 3us-Bedingungen betrachtet.
VR = 1200 V, wenn.
dv/dt=44,3 kV/us;di/dt=14kA/us.
Bei VR=900V.
dv/dt=32,1 kV/us;di/dt=12,9 kA/us.
Angesichts von ton=3us ist die Wellenform-Hochfrequenzschwingung intensiver, und jenseits des sicheren Arbeitsbereichs der Diode sollte die Einschaltzeit aus Sicht der Dioden-FWD nicht weniger als 3us betragen.
In der Spezifikation des Hochspannungs-IGBT mit 3,3 kV oben wurde die FWD-Vorwärtsleitungszeit ton klar definiert und gefordert. Am Beispiel von 2400 A/3,3 kV HE3 wurde die minimale Dioden-Leitungszeit von 10 us eindeutig als Grenze angegeben. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die Streuinduktivität des Systemschaltkreises bei Hochleistungsanwendungen relativ groß ist, die Schaltzeit relativ lang ist und der Übergang beim Öffnen des Geräts leicht den maximal zulässigen Diodenstromverbrauch PRQM überschreitet.
Sehen Sie sich anhand der tatsächlichen Testwellenformen und Ergebnisse des Moduls die Diagramme an und sprechen Sie über einige grundlegende Zusammenfassungen.
1. Der Einfluss der Impulsbreite ton auf das Ausschalten des IGBT bei kleinem Strom (ca. 1/10*Ic) ist gering und kann eigentlich ignoriert werden.
2. Der IGBT weist eine gewisse Abhängigkeit von der Impulsbreite T auf, wenn ein hoher Strom abgeschaltet wird. Je kleiner die T, desto höher die Spannungsspitze V, und der Ausschaltstromverlauf ändert sich abrupt und es treten hochfrequente Schwingungen auf.
3. Die FWD-Eigenschaften beschleunigen den Rückwärtswiederherstellungsprozess, wenn die Einschaltzeit kürzer wird, und je kürzer die FWD-Einschaltzeit, desto größer dv/dt und di/dt, insbesondere unter Niedrigstrombedingungen.Darüber hinaus wird für Hochspannungs-IGBTs eine klare Mindesteinschaltzeit der Diode von tonmin=10us vorgegeben.
Die tatsächlichen Testwellenformen im Papier haben eine gewisse Referenz-Mindestzeit angegeben, um eine Rolle zu spielen.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 24. Mai 2022