1、模块内部寄生电感的影响
在关断IGBT过程中,IGBT电流急剧变化,由于有寄生电感的存在,会在IGBT上产生电压尖峰 Vce(peak) = Vce + L * di/dt。电压尖峰增加了IGBT过电压的风险,在某些应用场合,尤其是对于大功率应用,高开关速度情况下,需要使用更大电压等级的IGBT,这无疑会增加器件的静态损耗和器件成本;另外电压尖峰及其导致的波形震荡还会带来额外的关断损耗,这都会导致系统效率的下降和成本的增加。
在一个可接受的效率状况下,可以说寄生电感的存在限制了开关频率的进一步提高,限制了高频化的应用;另外关断过程中的电压尖峰不仅和寄生电感大小成正比,它 还和开关电流的变化率成正比。这就意味着对于大功率模块,由于开关电流比较大,它就需要更加低电感的设计。例如对于100A/700V(1200V IGBT)的应用,回路中寄生电感10nH是可以接受的,那么对于较大功率的应用,例如500A/700V (1200V IGBT),为了取得同样的开关效果,回路中的寄生电感必须降到2nH。但是现实情况正好相反,对于大功率模块,为了降低回路中的等效电阻,需要使用更大 面积的直流母排和螺栓端子,而这又进一步增加了回路中的寄生电感。因此,对于大功率模块的应用,现在更多的设计是通过降低模块的关断速度(如使用更大的驱 动电阻或者使用较慢开关速度的芯片)从而降低di/dt,来达到控制关断电压尖峰的目的。但这无疑增加了模块的开关损耗,这也是为什么现在大功率电力电子 装置中,开关频率普遍提高不上去的原因。
2、新型大功率模块低寄生电感设计方法:
大功率模块回路需要流过大电流,为了保持回路中的低等效电阻,必须使用面积较宽的走线,而这就会增加回路中的寄生电感,这个矛盾是客观存在的。为了解决这个矛盾,必须设法把两个回路解耦。对应的策略就是在保持大电流低电阻回路的基础上,额外为IGBT开关过程增加一个低寄生电感回路,如图2所示。实线回路为稳态大电流回路,由于走线很宽,等效电阻很小,但是由于环路面积很大,等效寄生电感较大。而虚线回路为瞬态大电流回路,只有在开关过程中,也就是di/dt比较大的时候,电流才会从这个回路走,时间一般只有几百纳秒,线路不会有很大的热量,所以这个回路可以设计得非常小,从而实现低等效寄生电感。
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