杂散电感对IGBT开关过程的影响(2)

杂散电感对IGBT开关过程的影响(2)

3 实验测量

3.1 测量条件

作为对以上分析的验证，我们在自制半导体功率开关元件测试平台上进行了对比测试，测试条件如表1：

 

3.2 主回路杂散电感和驱动电阻变动情况下的测量结果

为验证对主回路杂散电感效应的分析并考察不同电感量以及门极驱动情况下的实际情况，我们人为对Lp 大小进行了干预，其具体方法是在D 的阴极与电路PCB 之间（即Lp2 与Lc1之间）加入长度可调的导线，用试凑办法得到期望的附加电感量。对于电路等效Lp值的确定，可以参考测试波形，选取关断期间数据读取，容易获得较准确的ΔV1 以及dioff /dt 数值，按公式(1)可简单估算，此外读取ΔV2 以及dion /dt，按公式(2)估算也是一样的效果。图4 选取了其中两个极端作为例子：

(a)关断波形（Lp=36μH） (b) 开通波形（Lp=36μH）

(c)关断波形（Lp=264μH）(d)开通波形（Lp=264μH）

图 4 驱动电阻取5.1 欧姆时不同杂散电感下开关波形

 

   

杂散电感在上述两极端之间取值5 组，测试情况如图5 所示。

(a)关断集电极电流波形 (b) 开通集电极电流波形

(c)关断管电压波形 (d) 开通管电压波形

图 5 驱动电阻取5.1 欧姆时不同杂散电感下开关电压电流波形

由于测试重点是开关损耗，所以加入门极驱动变量进行扰动，可获得不同线路杂散电感、不同门极驱动电阻下开通损耗、关断损耗以及开关总损耗数据，总结如图6。正如先前预计的，主回路杂散电感的增加会增大器件关断损耗，减小器件开通损耗。与门极驱动电阻越大，开关速度越慢，开关损耗越大的趋势一起，构成了数据图形的总趋势。其中值得注意的一些细节是：杂散电感对关断损耗的影响在驱动电阻较小时不甚明显，驱动电阻越大影响越大；杂散电感对开通损耗的影响则是驱动电阻小的时候影响明显，驱动电阻变大后其削减效应从绝对值到百分比都下降；杂散电感增加导致关断损耗增加和开通损耗降低相抵，总损耗增加或减少的情况都有，并无十分明确规律。

(a)关断损耗

(b)开通损耗

(c)开关损耗

图 5 不同驱动电阻与不同杂散电感下的开关损耗

3.3 发射极杂散电感和驱动电阻变动情况下的测量结果

正如前面提到的，因为测量点位置，测试平台上有三个杂散电感的效应没有被体现到测试结果中，但是其中发射极电感Le2 尤其具有明显影响，它通过驱动回路产生的效应甚至远远超过主回路。为验证分析，我们采用了类似调节Lp 的办法，人为在DUT 管脚上加入了导线来模拟不同数值的杂散电感。模拟情况如图6所示。

图 6 不同发射极杂散电感的模拟情况

其中L1的情况可认为近似元件手册中标称的引线电感，约13nH，L2 则保留了发射极管脚，增加了微量电感，L3、L4 外接了较多导线，使用外部仪器粗略测量，L3 约40nH，L4 约80nH。应该指出的是这么大的Le2 并非有什么工程实践背景，只是为了验证测试和探索极限情况下的数据趋势。

(a)电流关断情况 (b)电流开通情况

(c)电压关断情况 (d)电压开通情况

图 7 相同驱动电阻与不同发射极杂散电感下的开关波形

从图 7 可以看到，在同样驱动条件下（驱动电阻51 欧姆），各不同Le2 得到不同的开关电压电流波形，其中电压波形从形状上差别不大（该图为比较形状绘制，没有采用同样的时间起点），电流波形差异明显，大的Le2 导致明显缓慢的电流上升/下降，而L1 与L2 的情况因为数值差异小，所以波形差异也很小。图 8 列出了不同驱动条件下的开关损耗情况。与预计相吻合，发射极杂散电感对两种开关损耗都是增加的效应，因此三个图都呈现严格的单调递增特性。

(a)关断损耗

(b)开通损耗

(c)开关损耗

图 8 不同驱动电阻与不同杂散电感下的开关损耗

4 结论

本文根据实际IGBT器件感性负载测试平台建立了杂散电感分布模型，从理论上分析了不同位置分布参数对不同种类开关指标的影响，并以对比性实验测试数据验证了分析结论。分析和测试表明，以上分布寄生参数的变动对测试结果会有大幅度影响，从而显著影响到测试结果的精度。并可以通过参照实际实验结果进行系统结构优化设计。