基于单脉冲试验的IGBT模型的电压应力测试分析

关键词：IGBT,单脉冲,电压应力器

作者：田建平

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是由MOS（绝缘栅型场效应管）和BJT（双极型三极管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，IGBT作为功率设备的核心器件，在电力电子设备中有着广泛的应用^[1-2]。市场不仅追求着低成本和高功率密度，对性能和可靠性要求也更高^[3-4]。IGBT的开关暂态特性限制着它的最大工作结温、最大开关频率、EMC性能、散热性能、优化电路系统等性能^[5]。

为了进一步了解IGBT工作性能，笔者搭建了光伏3代IGBT采用T型三电平拓扑，额定输出线电压315V，电流230A，设计输入电压范围500～1000V。目前备选IGBT模块为英飞凌F3L400R12PT4_B26、西门康SKiM400TMLI12E4B、富士4MBI400VG-120R-50。英飞凌IGBT模块已经搭建了实验样机，初步的测试表明英飞凌IGBT模块的关断电压应力很大。因IGBT桥臂的耐压为1200V，关断时只承受一半的母线电压，电压应力不是问题。IGBT的钳位耐压值为650V( 英飞凌、西门康) 或600V( 富士)，关断电压尖峰问题很严重^[6]。

单脉冲测试原理

本文设计IGBT测试采用单脉冲测试，开通或关断状态都能测试。为方便起见，只对T3做单脉冲测试。单脉冲实验原理示意如图1和图2所示。

图1 英飞凌IGBT模块示意图

图2 富士IGBT模块示意图

图1为英飞凌IGBT示意图，对T2做单脉冲测试时，短路其他IGBT门极。电压施加于BUS+和BUS_N功率端子，电感器并联于BUS+和交流输出端子。当T2 IGBT开通时，母线电压通过T2反并二极管D2 T3施加于电感上，电感电流线性上升，如红色实线所示。当到达某时刻，T3关断，电感电流通过T1反并联二极管D1续流，如红色虚线所示。控制T3 IGBT导通时间，可以改变IGBT关断时的电流^[7]。

图2为富士IGBT单脉冲测试示意图，选用的富士IGBT采用RB-IGBT。T3开通时，母线电压通过导通的T3施加于电感上，电感电流线性上升，如红色实线所示。当到达某时刻，T3关断，电感电流通过T1反并联二极管D1续流，如红色虚线所示。改变T3导通时间可以控制T3关断电流值的大小，如图3所示为测试波形图。

图3 单脉冲测试波形示意

一般来讲，IGBT模块DC母线侧都会并联高频Snubber电容。有母线Snubber电容情况下，IGBT关断电压过冲分为两部分，如图4所示。第一个尖峰宽度很窄，电压值最高，见图4中的ΔV1。这主要是IGBT内部寄生电感和Snubber电容寄生电感产生的。第一个尖峰之后为频率较低的衰减震荡，造成的电CE电压过冲为ΔV2。这主要是IGBT关断造成电流变化，导致寄生电感与Snubber电容发生谐振。ΔV2受到寄生电感及关断电流影响。

单脉冲( 或双脉冲) 测试时，可以在母线两端加Snubber电容，这样测试中产生的第一个电压过冲同实际情况基本相同，具有较大的参考价值。第二个电压过冲受测试系统的母线寄生电感影响，与实际情况差异较大^[8]。

图4 IGBT关断电压应力示意图

RCD缓冲电路

对IGBT电压应力的影响

按照光伏2代设计，三电平逆变输出端子可以增加RCD（电容电阻二极管）缓冲电路来吸收电压尖峰。单脉冲测试时，也可以增加RCD缓冲电路。图5为富士IGBT模块T3管单脉冲测试时RCD缓冲工作示意图，英飞凌和西门康缓冲电路类似，不再赘述。

图5 T3管RCD缓冲示意图

T3关断时，电感电流一部分通过T1反并联二极管D1续流，一部分通过RCD缓冲电路Ds流向电容Cs，Cs电荷通过放电电阻Rs泻放。交流输出端子U电压可以通过电容Cs钳位，Cs电压一般维持在母线电压，因此T3关断电压应力得以降低。同时直流输入侧并联Snubber电容C_sn。

在图5所示的测试电路中，T3的关断电压应力主要受以下几个因素影响：

• 1）门极驱动电阻；

• 2）关断电流；

• 3）Snubber电容C_sn；

• 4）RCD缓冲电路。

关断电压应力不仅受驱动电阻的影响，母线Snubber电容，RCD缓冲电容也会影响电压应力。

英飞凌IGBT模块测试了三种外围缓冲电路下的关断电压应力：

• 母线Snubber电容0.68 μF，无RCD缓冲，电容采用的是厦门法拉的MKP82系列金膜电容，此系列电容0.56μF型号用于光伏2代IGBT吸收；

• 母线Snubber电容2.2μF，无RCD缓冲，电容采用的是厦门法拉的C82系列IGBT吸收专用电容，此系列用于UPS工频机IGBT吸收；

• 母线Snubber电容2.2μF，加RCD缓冲，RCD缓冲参数如下：C：0.1μF/630V×2，D：1200V/60A 二极管×2，R：51Ω。

测试关断电流分别选择了350A～400A(中电流) 和550A～600A(大电流) 两个电流范围，其中350A～400A 对应110%负载工作时的最大电流，550A～600A对应逐波限流电流。这两种电流范围是IGBT工作时两种考核工况。图6为英飞凌IGBT在不同驱动电阻下的电压应力的测试结果。

图6 英飞凌IGBT电压应力变化趋势

从实验结果可以看出，中等电流下，Snubber电容2.2μF电压应力明显低于0.68μF。但增加了RCD缓冲后，应力改善不明显，且只在驱动电阻较小时有效，驱动电阻增大后几乎无效果。大电流下，RCD缓冲反而起到了反作用，电压应力反而更高。这与英飞凌IGBT封装有关，其输入输出引脚距离很远，RCD缓冲路径太长，吸收效果很差。

对英飞凌IGBT模块，不建议增加RCD缓冲电路，通过选择高频特性更好的Snubber电容能有效降低关断电压应力^[9]。

图7为英飞凌IGBT在不同电流下电压应力对比曲线。外围缓冲电路都采用了方案2。结果可以看出，中等电流和大电流下，英飞凌IGBT应力差异不大，驱动电阻较大时，差异更小。因此对英飞凌IGBT来讲，逐波限流时电压应力同正常工作时差异不大。也就是说，通过减小逐波限流电流的方法减小电压应力，效果不明显。

图7 不同电流下英飞凌IGBT电压应力对比

英飞凌IGBT模块T3关断典型波形如图8。测试条件为：母线电压300V，驱动电阻10Ω，关断电流约370A，结温约25℃，外围缓冲电路为方案2。因英飞凌IGBT模块寄生电感较大，因此关断电压尖而高。英飞凌模块在驱动电阻较小时比较敏感，当驱动电阻增加到一定程度，电压应力下降变缓慢。

图8 英飞凌IGBT模块T3关断典型波形

电压应力解决方案

从实验结果来看，解决钳位IGBT应力过高问题主要有以下两种思路。

1）增大驱动关断电阻；英飞凌和西门康IGBT需要增大关断电阻到33Ω才能将电压过冲控制到150V以内；富士钳位IGBT耐压600V，需要将电压过冲控制在100V以内，即使将驱动电阻增加到100Ω也无法满足降额要求。

2）采用有源钳位驱动，关断电压应力过高时，通过CG极之间的TVS反馈，降低关断就电压应力。经分析，以上两种方案都存在一些弊端。

对方案1）增大驱动电阻，存在如下几个弊端。

A. 驱动电阻加大导致驱动延时增加，西门康模块采用33Ω驱动电阻时，驱动关断延时高达2.8μs，17Ω也有约2μs，预计死区时间必须达到4～5μs才能满足要求。

B. 限制桥臂IGBT开通速度。桥臂IGBT开通太快时，钳位IGBT的CE之间电压上升速率太快，通过CG之间的密勒电容形成位移电流，抬高钳位IGBT的G极电压，导致漏电流加大。关断电阻越大，这个效应越明显。光伏2代逆变器上内管IGBT的实验波形如图9所示。应对此问题有如下两种方法。

方法一是关断钳位IGBT时采用两段驱动电阻，阀值电压以上采用较大的驱动电阻以降低关断电压应力，阀值电压以下采用较小的驱动电阻，防止门极电压被冲高。方法二，钳位IGBT的GE之间并联电容，压制门极电压上冲，但这种方法反过来会加大IGBT关断延时。

图9 光伏2代内管IGBT驱动波形

探头设置为：黄线为逆变电感电流；蓝线为内管Vce电压红线：内管Vge电压，开关损耗增加，导致结温不满足降额要求。以西门康IGBT为例，开关损耗驱动电阻都按5Ω驱动电阻计算。

若桥臂IGBT开通电阻由5Ω变为10Ω，单次开通损耗由21mJ增加到47mJ，T1/T4开关损耗由105W增加到162W( 输入电压750V，输出电流252A，功率因数1)，总损耗由2152W增加到2493W，增加15.6%。

若钳位IGBT关断电阻由5Ω变为10Ω，单次关断损耗由27mJ增加到45mJ，低压穿越时( 输入电压800V，输出电流252A，功率因数0)，T2/T3开关损耗由49.6W增加到70.4W，T2/T3总损耗由203.4W增加到224W，增加12%，进一步增加了低压穿越时的热应力。

若钳位IGBT关断电阻由5Ω变为10Ω，单次关断损耗由27mJ增加到45mJ，调无功时( 输入电压750V，输出电流252A，功率因数0.8)，T2/T3开关损耗由10.2W 增加到14.5W，T2/T3总损耗由96.2W增加到100.5W，增加4.4%。

对方案2），采用有源钳位驱动，存在如下风险：

1) 有源钳位驱动我司无人采用，无调试经验；

2) 钳位反馈用的TVS要求很高，选型较困难，且损耗较大；

3) 单边母线过压，如果超过有源钳位电压，可能导致IGBT进入线性工作区，导致过热烧毁。

结 论

从单脉冲测试结果来看，西门康IGBT模块关断电压应力最低，在关断电阻33Ω时能满足电压降额要求。如果进一步改进母线Snubber电容，采用用17Ω驱动电阻，关断延时较大。

富士模IGBT模块采用的RB-IGBT特性较特殊，驱动电阻很大。在驱动电阻100Ω、采用RCD缓冲情况下电压过冲控制在160V左右。做到1000V输入电压工作几乎不可能，如输入电压降低为900V，适当改进也可能满足要求。

英飞凌IGBT模块电压应力较差，采用33Ω较大驱动电阻，电压过冲也可以控制在150V左右。