技術文章
Technical articles
典型脈沖寬度調制(PWM)電壓信號驅動的電機,逆變器輸出脈沖電壓變化率為dv/dt,通過連接電纜加載到負載電機。脈沖電壓的峰值等于逆變器直流母線電壓VDC。電機端的峰值電壓高于逆變器的輸出電壓,可能會導致電機損壞。電機側電壓峰值的實際幅值受以下參數影響。
電纜和電機的阻抗
電纜長度
直流母線變化率
PWM脈沖類型
一般由PWM控制的電壓源逆變器(VSI)通過電纜連到電機,將在電機端產生(部分)電壓反射,其原因是電纜和電機阻抗不匹配 。從電機側反射到逆變器側的電壓又會反射到電機側,兩個電壓疊加,受信號傳遞時間影響,最終可能形成全反射電壓2U,對電機側造成較大的電壓應力。因此,制造商通常建議,400V電機的逆變器端在最壞的情況下不能超出5kV/µs的dv/dt限值。
圖1 電機端的電壓波形示例
dvCE/dt的定義
對于溝槽型IGBT,導通期間的開關速度dv/dt隨著負載電流和結溫的降低而升高。在設置門極電阻值時,通??紤]器件在10%的模塊標稱電流ICnom、25°C的結溫及標稱母線電壓下的性能。關斷期間的開關速度dv/dt隨著負載電流的增大而升高,因此設置關斷門極電阻值時考慮*標稱電流下的器件性能。
IGBT的開關速度被定義為dv/dt=ΔVCE/Δtr。電壓和時間差可以用兩種不同的方式來確定。常用的方法是取在直流母線電壓的90%和10%之間的電壓和時間差,如圖2a所示。另一種方法是確定一個20%母線電壓的移動窗口,然后確定最大梯度,如圖2b所示。
該定義被稱為dv/dtmax,可被視為最壞情況下的選型。該定義對于評估EMI也有幫助。
請注意,曲線形狀還取決于門極驅動的雜散電感、門極電阻值及試驗裝置中的寄生電容值。
圖2 FS100R12W2T7在10% ICnom和Tvj=25°C時的
導通開關曲線示例:
a)dv/dt10-90定義
b)dv/dtmax定義
dv/dt的可控性
在進行工業驅動設計時,關鍵是要能按照電機絕緣要求或為滿足EMI限制而調整電壓變化率dv/dt。為此,TRENCHSTOP™ IGBT7須具備高度的可控性。該可控性取決于器件通過調整門極電阻值(RG)來改變dv/dt的能力。而這又能影響到總開關損耗(Etot)。
圖3以模塊FS100R12W2T7為例,描繪了IGBT的dv/dt與門極電阻RG的關系。在1.8Ω的標稱電阻(RG)下,關斷dv/dt10-90已經低于5kV/µs,而導通dv/dt10-90非常接近5kV/µs。隨著RG的增大,導通dv/dt和關斷dv/dt都下降。導通dv/dt隨Rgon變化的幅度非常寬,在2kV/µs與8kV/µs之間。這意味著,RG只要稍稍高于數據表中的標稱RG,就能使dv/dt低于5kV/µs。
圖3 FS100R12W2T7的IGBT dv/dt
與門極電阻RG的關系
如何通過dv/dt選擇RG
TRENCHSTOP™ IGBT7數據表中只提供了在10-90%范圍內確定的dv/dt(dv/dt10-90)值。在電機的壽命周期中,該dv/dt10-90的值必須低于特定的限值。數據表中的dv/dt曲線分別展現了導通dv/dt及關斷dv/dt與門極電阻RG的關系。導通dv/dt曲線是按照10%的標稱電流和室溫繪制出的,而關斷曲線是按照標稱電流和室溫繪制出的。需要注意的是,dv/dt值——尤其是導通dv/dt——不是絕對的,它還與最終的試驗裝置有關。因此,它只能用作參考,在最終應用時必須加以驗證。
根據目標dv/dt,可以通過數據表中的曲線讀取相應的RG值。無論何時,RG越大,dv/dt就會越小。導通損耗Eon會隨著導通門極電阻Rgon的增大而顯著變大。要想降低功耗,最好盡量選取較小的Rgon。由于IGBT7能夠很好地控制導通dv/dt,所以可以利用較小的Rgon來降低導通損耗,同時將導通dv/dt限定在所要求的范圍以內。關斷門極電阻Rgoff對關斷損耗Eoff的影響很小??梢赃x用較大的Rgoff來達到較低的dv/dt,而開關損耗并無明顯增加。
附加門極電容的影響
IGBT的門極——發射極電容(CGE)及門極——集電極電容(CGC)都經過了優化,能讓IGBT7的dv/dt*可控,并擁有優化的開關波形。CGE設計得足夠大,以避免寄生導通效應。這使得IGBT7不再需要額外的門極電容。當RGon最小而RGoff最大時,是寄生導通的最壞情況。額外的門極電容會增加門極振蕩風險,也會增加門極驅動的功率需求。
更高的門極電荷
為能更好地控制dv/dt并避免寄生導通效應,IGBT7比上一代的IGBT4有更高的門極電荷(QG)。因此需確保電源和驅動電路具有足夠大的輸出功率??梢酝ㄟ^下面的公式計算所需的驅動功率(PGdr)。公式中使用的QG應根據所施加的驅動器輸出電壓進行選擇。
PGdr = QG x(VGE(on) – VGE(off) x fsw
參考文獻
[1] TRENCHSTOP™ 1200V IGBT7 Application Note
[2] IGBT模塊:技術、驅動和應用