降低動(dòng)態(tài)功耗需要快速地開關(guān)功率半導(dǎo)體。一個(gè)典型的系統(tǒng)包括幾十個(gè)并聯(lián)的功率半導(dǎo)體，這些功率半導(dǎo)體在上千伏直流母線上開關(guān)著數(shù)千安培的電流。由此產(chǎn)生的功耗對(duì)應(yīng)用工程師來(lái)說特別具有挑戰(zhàn)性，工程師們努力保持開關(guān)時(shí)間盡可能的短。但這說起來(lái)容易做起來(lái)難。
應(yīng)用工程師要求更高的開關(guān)速度，同時(shí)降低動(dòng)態(tài)損耗。這是因?yàn)樾枰宰钚〉腜WM頻率以得到一個(gè)最近似的正弦輸出信號(hào)。更高的時(shí)鐘頻率減少了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中由諧波導(dǎo)致的損耗和機(jī)械應(yīng)力。而最新一代的快速開關(guān)IGBT開啟了各種可能性。但是，不利的一面是它們也帶來(lái)了問題，就是對(duì)關(guān)斷電壓峰值有特別強(qiáng)烈的影響。
高效的關(guān)斷控制
這項(xiàng)需求是明確的：功率半導(dǎo)體快速關(guān)斷。然而，這本身也存在問題：除了更大的EMC干擾，關(guān)斷的過程中功率半導(dǎo)體上會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的電壓尖峰。如果超出了允許的最大阻斷電壓，功率半導(dǎo)體可能被破壞，通常會(huì)造成短路。圖1顯示了一個(gè)在直流母線電壓和交流輸出端子之間帶有短路電感LB的半橋。在這個(gè)例子中，晶體管T2導(dǎo)通時(shí)將會(huì)導(dǎo)致電流IZK（UCE可以忽略不計(jì)）持續(xù)上升（回路I）：
在關(guān)斷期間（回路II），IZK必須在IGBT關(guān)斷時(shí)間內(nèi)降為零。存儲(chǔ)在LZK內(nèi)的磁場(chǎng)試圖保持電流IZK，如果該電流是由吸收電容CZK吸收，這是可能實(shí)現(xiàn)的。由于該組合是一個(gè)諧振電路[3]，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與諧振頻率與LZK, CZK 和 RZK相對(duì)應(yīng)的衰減正弦波疊加：
儲(chǔ)存在電感LZK的電磁能向吸收電容充電，吸收電容電壓達(dá)到UZK+Â by t=π/2。
圖1：直流母線和帶短路電感 LB（簡(jiǎn)化的）的半橋
與此同時(shí)，通過短路電感LB的正向電流流過二極管D1。此外，由于該電流的影響和二極管的正向恢復(fù)（圖3），產(chǎn)生了一個(gè)附加電壓分量。
在開關(guān)操作后，還必須觀察代表開路的電流分支部分。由于di/dt的存在，歸總在LModule中的寄生電感確保電壓峰值高并且也被疊加。
圖3：不同di/dt時(shí)的功率二極管正向恢復(fù)時(shí)間
電壓曲線uCE
關(guān)斷期間晶體管T2上的電壓曲線UCE（圖2）包括三個(gè)部分：
1)恒定的直流母線電壓UZK
2)LModule上的較大的di/dt導(dǎo)致的關(guān)斷期間的電壓曲線 uModule和續(xù)流二極管D1上的較大的di/dt。
3)吸收電容和直流母線電感之間的振蕩，是由它們的諧振和LZK里所儲(chǔ)存的能量導(dǎo)致的（吸收電容上的寄生電感LSn及其引線導(dǎo)致一個(gè)幅值略高的T=π/2的正弦波，因?yàn)樗陉P(guān)斷時(shí)間仍未被放電）。
圖2：T2時(shí)刻的電壓uCE和電流iC
不同的部分應(yīng)以真正的UCE曲線為基礎(chǔ)來(lái)定義。這里，在關(guān)斷過程開始的時(shí)刻uZK是從零開始，因?yàn)槲针娙莸碾妷喝匀慌c直流母線電壓同等級(jí)，寄生電感LZK的能量轉(zhuǎn)移在這一刻才剛剛開始。
模塊寄生電感所導(dǎo)致的電壓和二極管的正向恢復(fù)時(shí)間是di/dt的函數(shù)，耦合到T2時(shí)刻的關(guān)斷行為中。唯一可被影響的di/dt參數(shù)是開關(guān)時(shí)間，因?yàn)殡娏髁勘欢x為與負(fù)載相關(guān)。一旦關(guān)斷過程完成，該電壓部分將再次消失。只有在直流母線電路的擺動(dòng)瞬態(tài)仍然可以看的到。
直流母線電路的影響
為了盡量減少直流母線寄生電感引起的電壓尖峰，吸收電容直接安裝在模塊上[4]。關(guān)斷期間電壓曲線uZK可用一個(gè)呈指數(shù)衰減的正弦波來(lái)建模：
包絡(luò)線的幅值Â是直流母線電路在臨近T2關(guān)斷時(shí)刻之前所提供的電流以及直流母線電壓恒定分量的函數(shù)。開始階段儲(chǔ)存在寄生直流母線電感LZK中的電磁能周期性地來(lái)回在吸收電容CZK上擺動(dòng)（直流母線電容器的有效電容與CZK相比足夠大，因此忽略不計(jì)）并且（因?yàn)?i>RZK上的損耗）強(qiáng)度不斷減小。在t=π/ 2時(shí)刻，當(dāng)LZK的整個(gè)能量 WL出現(xiàn)在CZK中，幅值Â可確定如下（其中WC代表存儲(chǔ)在CZK中的能量）：
圖4顯示了t=π/2時(shí)正弦波的幅值略高。這是由于LSn（但在公式中被忽略了）的影響。
圖4：基于uCE和iC計(jì)算出的uZK和uModul曲線
模塊的影響
在功率模塊自身，條件是不同。這里，為了空間和操作安全性（高溫）的原因，沒有安裝吸收電容。因此，模塊固有的寄生電感，如母排、DBC布局和綁定線上的電感，必須通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)措施來(lái)最小化。此外，關(guān)斷電壓尖峰只能通過合適的開關(guān)時(shí)間調(diào)制方式來(lái)改變，因?yàn)樵撝等Q于di/dt：
上述公式中包括作為附加元件的二極管電壓UD1。該電壓也表示正向恢復(fù)時(shí)間電壓[1]，出現(xiàn)在具有大di/dt的大電流注入正向工作二極管時(shí)，即帶有感性負(fù)載續(xù)流的情況。圖3顯示了功率二極管的電壓曲線（對(duì)于不同的注入電流值），約10-20ns后電壓達(dá)到最大值，然后下降到正常的正向電壓。最高電壓可以高達(dá)幾百伏。
使用示例曲線定義參數(shù)
圖2中曲線的目的是展示如何定義的關(guān)鍵特征值。示例曲線指的是一個(gè)擁有200V直流母線電壓的電路、一個(gè)0.68μF吸收電容和一個(gè)350µH短路電感的小實(shí)驗(yàn)裝置。
直流母線共享分析
為了給選定的直流母線電壓定義時(shí)間常數(shù)τ，從曲線上選取了兩個(gè)有意義的測(cè)量點(diǎn)：
對(duì)于串聯(lián)諧振電路（RZK，LZK和吸收電容CZK在一個(gè)回路中），直流母線的寄生電感，可通過諧振條件的給定頻率（fR =763.5 kHz）計(jì)算得到：
磁損耗電阻的計(jì)算公式如下：
因此，該系列諧振電路的品質(zhì)因數(shù)為：
定義ω、τ、UZK和幅值Â更為簡(jiǎn)潔和精確的方法是使用數(shù)值數(shù)據(jù)處理和可視化工具xmgrace[2]。在這一點(diǎn)上，下面的公式適合電壓峰值和經(jīng)過多次振蕩后之間的區(qū)域：
y = a0 + a1 * sin(a2*g0.s1.x-a3) * exp(-(g0.s1.x-a3)/a4)
經(jīng)過20次非線性擬合迭代后的參數(shù)結(jié)果見表1。
表1：擬合結(jié)果
結(jié)果曲線如圖4所示。
分析模塊共享
過電壓的模塊共享可按照兩個(gè)步驟進(jìn)行處理：首先通過對(duì)集電極電流曲線IC微分（例如用xmgrace）。然后進(jìn)行縮放以將新曲線相應(yīng)地插入到第一個(gè)UCE電壓峰值。在這里，（負(fù)）的縮放因子被發(fā)現(xiàn)與模塊的寄生電感不對(duì)應(yīng)，因此應(yīng)該考慮到二極管的影響。這就是引入術(shù)語(yǔ)虛構(gòu)模塊電感LModule,fict.的原因：
(計(jì)算得到的, 虛擬值！)
事實(shí)上，電壓曲線uModule不僅取決于半導(dǎo)體的開關(guān)行為和模塊的寄生電感，也取決于二極管的正向恢復(fù)。出于這個(gè)原因，LModule,fict必須以二極管的正向恢復(fù)為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行修正?？偟碾妷涸黾又姓蚧貜?fù)所占的最大份額應(yīng)以最大的di/dt （圖3）為基礎(chǔ)進(jìn)行估算：在10kA/μs以下，所使用的標(biāo)準(zhǔn)功率二極管的正向恢復(fù)電壓Ufr,max可由下式相當(dāng)精確地近似得出：
對(duì)于本例中的di/dt=1.3kA/µs，該電壓值約為20.5V。因此，由于是感性分量，過電壓下降到約70V，測(cè)試模塊自身的電感下降到49.8nH（計(jì)算值）。
兩條曲線的重疊（圖4）帶來(lái)最初計(jì)算得到的uce，從t=0時(shí)刻起適用。例如，現(xiàn)在可以很容易地確定替代吸收電容的特性。
危險(xiǎn)行為
加上吸收電容，直流母線就像一個(gè)諧振頻率為fRes,ZK的諧振電路。因此，可能會(huì)產(chǎn)生臨界狀態(tài)。例如，如果開關(guān)頻率是f0的偶次因數(shù)，就會(huì)出現(xiàn)臨界現(xiàn)象。在這種情況下，如果諧振電路的品質(zhì)因數(shù)足夠好，在下一個(gè)開關(guān)操作中注入到吸收電容中的能量是同相的。這可能會(huì)在短短的幾個(gè)時(shí)鐘脈沖之后導(dǎo)致臨界的過電壓。由于測(cè)試模塊相對(duì)較差的質(zhì)量，可以預(yù)計(jì)當(dāng)開關(guān)頻率為30kHz或以上時(shí)該影響會(huì)顯現(xiàn)。
此外，各種直流母線電路和/或模塊之間糟糕連接也可能導(dǎo)致不希望的激勵(lì)，這種情況應(yīng)該在每個(gè)案例中進(jìn)行檢查。
總結(jié)
關(guān)斷過程中uce-和iC測(cè)量分析說明了直流母線寄生電感和模塊電感之間的相互作用。這使得在給定的應(yīng)用中非常容易分析出的薄弱環(huán)節(jié)并在模擬中發(fā)現(xiàn)最大的潛力。
可以看出，單純改變關(guān)斷速度只能降低模塊所產(chǎn)生的過電壓尖峰。直流母線電路中的過電壓主要是電流等級(jí)的函數(shù)，只能通過降低di/dt略微減小。
關(guān)斷過程的形式化描述揭示了選擇合適的開關(guān)速度、吸收電容和模塊設(shè)計(jì)時(shí)的可能性和限制。措施均衡結(jié)合是優(yōu)化成本提高可靠性的一個(gè)好方法 - 直接在電腦上進(jìn)行，無(wú)需復(fù)雜的測(cè)試。
參考文獻(xiàn)
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[3] Steinbuch, Rupprecht: Nachrichtentechnik, Bd1: Schaltungstechnik, Springer-Verlag 1982
[4] Application Note AN7006: IGBT Peak Voltage Measurement and Snubber Capacitors Specification