降低損耗并提高功率密度的有效方法是改善開關行為。從設備設計師的角度來看，尋求提升功率轉換系統的能效，這無疑是最佳的參數選擇。電源模塊制造商必須將現代IGBT技術納入產品中，以便設計師能夠調整這些參數。

　　由TRENCHSTOP?5 H5驅動的IGBT設計用于15至80 kHz的載波開關頻率范圍，具有最高650 V的阻斷電壓。它在TO-247等離散封裝中可用，專為具有30至50 nH雜散電感的PCB布線路設計。

　　Vincotech是一個使用這些器件的制造商，采用這些器件而不是離散封裝來構建電源模塊。該公司的Flow系列模塊能夠處理IGBT的性能。Vincotech生產具有低內部雜散電感的電源模塊，可以容納多種類型的快速開關功率半導體，包括這個650V芯片。

　　封裝

　　Flow系列的特殊封裝技術使Vincotech能夠在電源模塊中整合最新的芯片技術，其特點包括：

　　·無基板

　　·低內部雜散電感

　　·自由定位的輔助引腳(焊接、壓配)

　　·內置直流電容器

　　圖1中展示的Flow 1封裝采用中性點鉗位(NPC)逆變器拓撲結構中的非常快速的芯片。也稱為I型拓撲，主要用于太陽能和不間斷電源(UPS)應用的三電平轉換器。快速開關IGBT、快速二極管和集成直流電容的組合確保了緊湊電源模塊(項目代碼10-FY07NPA200SM02-L366F08)中的最高效率和快速開關能力。

圖1

　　測量：直流電容器的影響

　　IGBT的設計使得柵極電阻Rg幾乎無法控制關斷行為。在關斷期間，相應的集電極-發射極電壓峰值(Vcep)依賴于電流的關斷速度以及在給定集電極-發射極電壓Vce下，電容器和半導體之間的雜散電感L。

　　該方程描述了關斷時的電壓過沖ΔVcep，這是一個非常著名的關系。這一方程告訴我們，減少雜散電感或關斷速率將降低IGBT上的電壓過沖。

　　圖2顯示了集成DC電容器對電源模塊中集電極-發射極峰值電壓的影響。在相同測試條件下，帶有集成DC電容器(橙色)和沒有集成DC電容器(藍色)的測量結果。

圖2

　　圖表清楚地表明，未集成DC電容器時，集電極-發射極電壓Vce在關斷電壓峰值之后會在約218%的施加直流連接電壓350V之間震蕩。集成DC電容器不僅將Vcep降低至137%的直流連接電壓;還抑制了震蕩。

　　將直流電容器盡可能靠近IGBT放置，顯然是非常快速開關功率半導體的明智之舉。

　　測量

　　表征開關行為

　　無論低電感封裝設計如何，都需要分析動態特性。在開關開啟和關閉期間，集電極-發射極電壓Vce和額定電流Ic的斜率必須得到處理，特別是在使用快速IGBT時。這就是為什么測量專注于這些開關斜率，即T3的dV/dt和dI/dt(圖1)。減慢功率半導體的開關速度會降低開關斜率，從而增加功率損耗。

圖3

　　圖3顯示了在室溫(藍色)和125°C(橙色)下，開關開啟電流斜率dI/dt_on(實線)和反向恢復dI/dt_rec(虛線)的行為。

　　值低于4Ω的情況未顯示，原因是測量噪聲。

　　在25°C下，開關開啟速度從4Ω開始下降，直到在16Ω時約為峰值的45%。溫度對開關開啟電流斜率有輕微但明顯的影響，125°C時的dI/dt_on值始終低于25°C時的測量值。開關開啟速度從峰值到125°C時的最低值降低約47%。

　　圖3還顯示了反向恢復電流斜率dI/dt_rec，即曲線的峰值后電流軌跡。溫度對其影響很小;曲線非常相似，幾乎相同，約為7Ω。

　　圖4顯示了集電極-發射極電壓的開關斜率與Rg的關系。在4Ω以上，關斷電壓斜率基本保持不變，這證實半導體物理特性使得Rg幾乎無法控制關斷行為。關斷dV/dt在柵極電阻范圍內相當穩定;唯一明顯的影響是在開關開啟時。

圖4

　　在低Rg時，dV/dt_on較高，更高的電阻值可以降低它。25°C和125°C下的開關開啟行為(實線)相似。唯一的區別似乎是25°C下隨后的開關開啟dV/dt降低。

　　圖5描繪了開關開啟和關斷能量。實線代表關斷能量Eoff的測量;虛線顯示了室溫和125°C下開關開啟能量(Eon)和反向恢復能量(Err)的數據。這些讀數用于調查Eon、Eoff和Err在多大程度上依賴于Rg。Eon、Eoff和Err在兩個溫度下表現出相似的趨勢。

　　隨著柵極電阻增加，Eon也會增加，因為IGBT減速，器件損耗增加。因此，反向恢復能量略有降低，因為反向恢復峰值較低，這與圖3中dI/dt_rec的行為一致。

圖5

　　就dI/dt的陡峭程度而言，圖5的插圖顯示，25°C(藍色)和125°C(橙色)下的總能量Etot顯示，超過4Ω的柵極電阻似乎是合理的。然而，這將需要在電流斜率和總能量損耗之間進行權衡，因為隨著柵極電阻增加，損耗也會增加。正如我們在圖4中看到的，柵極電阻對關斷dV/dt或Eoff幾乎沒有影響。

　　電源模塊中的IGBT

　　IGBT變得越來越快，這使得其在電源模塊中的安裝變得復雜。集成的DC電容器對此非常有利，因為它們可以防止關斷電壓過沖。我們測量到的過沖從218%減少到137%。

　　此外，設計師還需要在開關速度、開關損耗和dV/dt控制的電磁兼容性之間找到合適的平衡，以支持功率轉換系統。我們的測量告訴我們，他們需要選擇合適的柵極電阻。對此，超過4Ω的電阻值似乎是一個在總能量損耗和開關斜率之間的最佳選擇。然而，每個系統和應用都是不同的，必須通過適當的測量來確定每個系統的合適Rg值。

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