基于单脉冲试验的IGBT模型的电压应力测试分析

田建平

摘要：IGBT作为功率设备的核心器件，在电力电子工业领域应用广泛。为了进一步了解电压应力对IGBT模块的影响，本文搭建了实验样机（选用3代IGBT采用T型三电平拓扑，额定输出线电压315 V，电流230 A，设计输入电压范围500～1 000 V），通过单脉冲试验对不同厂家不同型号的IGBT进行电压应力分析并给出解决方案的可行性。

关键词：IGBT;单脉冲;电压应力

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口，，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315 V，电流230A，设计输入电压范围500～1 000V。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1 200 V，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650 V（英飞凌、西门康）或600 V（富士），关断电压尖峰问题很严重[6]。

1    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+和交流輸出端子。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。

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]。

2    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。

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0.68μF，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/630 V×2，D：1 200 V/60 A二极管×2，R：51Ω。

测试关断电流分别选择了350 A～400 A（中电流）和550 A～600 A（大电流）两个电流范围，其中350 A～400 A对应110%负载工作时的最大电流，550 A～600 A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。

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。

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300 V，驱动电阻10Ω，关断电流约370 A，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。

3    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150 V以内;富士钳位IGBT耐压600 V，需要将电压过冲控制在100 V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。桥霄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。

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21 mJ增加到47 mJ，T1/T4开关损耗由105 W增加到162 W（输入电压750 V，输出电流252 A，功率因数1），总损耗由2 152 W增加到2 493 W，增加15.6%。

若钳位IGBT关断电阻由5Ω变为10Ω，单次关断损耗由27 mJ增加到45 mJ，低压穿越时（输入电压800 V，输出电流252 A，功率因数0）T2/T3开关损耗由49.6 W增加到70.4 W，T2/T3总损耗由203.4 W增加到224 W，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27 mJ增加到45 mJ，调无功时（输入电压750 V，输出电流252 A，功率因数0.8）T2/T3开关损耗由10.2 W增加到14.5 W，T2/T3总损耗由96.2 W增加到100.5 W，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。

4    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33 Q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160 V左右。做到1 000 V输入电压工作几乎不可能，如输入电压降低为900 V，适当改进也可能满足要求。

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

参考文献：

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