ナローパルス現象とは
一種のパワースイッチとして、IGBT はゲートレベル信号からデバイススイッチングプロセスまで一定の反応時間を必要とします。これは、ゲートを切り替えるのにあまりにも早く手を握るのと同じように、短すぎる開放パルスは高すぎる原因となる可能性があります。電圧スパイクまたは高周波発振の問題。IGBT が高周波 PWM 変調信号で駆動されると、この現象が時々どうしようもなく発生します。デューティサイクルが小さいほど狭いパルスを出力しやすくなり、ハードスイッチング再生時の IGBT 逆並列再生ダイオード FWD の逆回復特性が速くなります。1700V/1000A IGBT4 E4、ジャンクション温度 Tvj.op = 150 ℃、スイッチング時間 tdon = 0.6us、tr = 0.12us および tdoff = 1.3us、tf = 0.59us での仕様、狭いパルス幅はそれ以下にすることはできません仕様切替時間の合計より。実際には、力率 + / – 1 の場合、太陽光発電やエネルギー貯蔵などの負荷特性が圧倒的に異なるため、無効電力発電機 SVG、アクティブ フィルター APF 力率 0、電流ゼロ点付近に狭いパルスが表示されます。狭いパルスは最大負荷電流付近に現れ、実際にゼロ点付近に電流が印加されると、出力波形に高周波発振が現れる可能性が高く、EMI 問題が発生します。
原因のナローパルス現象
半導体の基礎から、狭パルス現象の主な理由は、IGBT または FWD がターンオンし始めたばかりで、すぐにはキャリアで満たされず、IGBT またはダイオードチップをシャットダウンするときにキャリアが完全に拡散した場合と比較して拡散することによるものです。シャットダウン後に充填すると、di / dt が増加する可能性があります。転流浮遊インダクタンスによって、対応するより高い IGBT ターンオフ過電圧が生成され、これによりダイオードの逆回復電流が突然変化し、スナップオフ現象が発生する可能性があります。ただし、この現象は IGBT および FWD チップ技術、デバイスの電圧と電流に密接に関係しています。
まず、古典的なダブル パルス回路図から始める必要があります。次の図は、IGBT ゲート駆動電圧、電流、電圧のスイッチング ロジックを示しています。IGBTの駆動ロジックから、狭いパルスオフ時間toffに分けることができます。これは実際にはダイオードFWDの正導通時間tonに相当し、点Aなどの逆回復ピーク電流と回復速度に大きな影響を与えます。図では、逆回復の最大ピーク電力は FWD SOA の制限を超えることはできません。これは、図の点 B などの IGBT ターンオフ プロセス、主に IGBT ターンオフ電圧スパイクと電流トレーリング発振に比較的大きな影響を与えます。
しかし、パルスが狭すぎるとデバイスのターンオン、ターンオフはどのような問題を引き起こすのでしょうか?実際には、妥当な最小パルス幅制限はどれくらいですか?これらの問題は、理論や公式を使って直接計算する普遍的な公式を導き出すことが難しく、理論的な分析や研究も比較的小規模です。実際のテスト波形と結果をグラフで見ることで、アプリケーションの特性と共通点を分析してまとめ、この現象を理解し、問題を回避するための設計を最適化するのに役立ちます。
IGBT ナローパルスターンオン
IGBT をアクティブ スイッチとして使用し、実際のケースを使用してこの現象を説明するグラフを見ると、いくつかの材料が得られるため、より説得力があります。
ハイパワーモジュール IGBT4 PrimePACK™ FF1000R17IE4 を試験対象として、Vce=800V、Ic=500A、Rg=1.7Ω、Vge=+/-15V、Ta=の条件でton変化したときのデバイスターンオフ特性を測定25℃、赤はコレクタIc、青はIGBTの両端電圧Vce、緑は駆動電圧Vgeです。ヴィゲ。パルストンが 2us から 1.3us に減少し、この電圧スパイク Vcep の変化を確認します。次の図は、特に円内に示す変化プロセスを確認するためにテスト波形を段階的に視覚化しています。
ton が電流 Ic を変化させたとき、ton による特性の変化を Vce 次元で確認します。左と右のグラフは、それぞれ同じ Vce=800V と 1000V の条件下で、異なる電流 Ic での電圧スパイク Vce_peak を示しています。それぞれのテスト結果から、ton は小電流での電圧スパイク Vce_peak に比較的小さな影響を与えます。ターンオフ電流が増加すると、狭いパルスのターンオフにより電流が突然変化し、その後高電圧スパイクが発生する傾向があります。左右のグラフを座標として比較すると、Vce と電流 Ic が高いほど、ton はシャットダウンプロセスに大きな影響を与え、急激な電流変化が起こりやすくなります。この例の FF1000R17IE4 のテストによると、最小パルストンは 3us 以上が最も妥当な時間です。
この問題に関して、高電流モジュールと低電流モジュールのパフォーマンスに違いはありますか?FF450R12ME3 中出力モジュールを例にとります。次の図は、さまざまなテスト電流 Ic に対して ton が変化したときの電圧オーバーシュートを示しています。
同様の結果、ターンオフ電圧オーバーシュートに対するtonの影響は、1/10*Ic未満の低電流条件では無視できます。電流が 450A の定格電流、または 2*Ic 電流の 900A まで増加すると、トン幅の電圧オーバーシュートが非常に明白になります。定格電流1350Aの3倍という極端な条件下での動作条件の性能をテストするために、トン幅に関係なく、特定の電圧レベルでチップに埋め込まれた電圧スパイクが阻止電圧を超えています。 。
次の図は、Vce=700V、Ic=900Aにおけるton=1usと20usの比較テスト波形を示しています。実際のテストから、ton=1us でのモジュールのパルス幅が発振し始め、電圧スパイク Vcep は ton=20us より 80V 高くなります。したがって、最小パルス時間を 1us 以上にすることをお勧めします。
FWDナローパルスターンオン
ハーフブリッジ回路では、IGBT ターンオフパルス tooff が FWD ターンオン時間 ton に相当します。下図は、FWD ターンオン時間が 2us 未満の場合、定格電流 450A での FWD 逆電流ピークが増加することを示しています。toff が 2us より大きい場合、ピーク FWD 逆回復電流は基本的に変化しません。
IGBT5 PrimePACK™3 + FF1800R17IP5 は、特にトン変化のある低電流条件下での高出力ダイオードの特性を観察するためのものです。次の行は VR = 900V、1200V 条件、小電流 IF = 20A 条件での直接比較を示しています。 2 つの波形を比較すると、ton = 3us の場合、オシロスコープがこの高周波発振の振幅を保持できないことが明らかです。これは、高出力デバイスアプリケーションにおけるゼロ点を超える負荷電流の高周波発振と、FWD の短時間逆回復プロセスが密接に関連していることも証明しています。
直感的な波形を確認した後、実際のデータを使用してこのプロセスをさらに定量化し、比較します。ダイオードのdv/dt、di/dtはtoffにより変化し、FWD導通時間が短いほど逆方向特性が速くなります。FWDの両端のVRが高くなるほど、ダイオードの導通パルスが狭くなり、特にton = 3usの条件でのデータを見ると、ダイオードの逆回復速度が加速されます。
VR=1200Vの場合。
dv/dt=44.3kV/us;di/dt=14kA/us。
VR=900V時。
dv/dt=32.1kV/us;di/dt=12.9kA/us。
ton=3us を考慮すると、波形の高周波発振はより激しく、ダイオードの安全動作領域を超えると、ダイオードの FWD の観点からオン時間は 3us 未満であってはなりません。
上記の高電圧 3.3kV IGBT の仕様では、2400A/3.3kV HE3 を例として、FWD 順方向導通時間 ton が明確に定義および要求されており、最小ダイオード導通時間 10us が制限として明確に与えられています。これは主に、高電力アプリケーションにおけるシステム回路の浮遊インダクタンスが比較的大きく、スイッチング時間が比較的長く、デバイスが開く過程での過渡現象が最大許容ダイオード消費電力 PRQM を超えやすいためです。
実際のテスト波形とモジュールの結果から、グラフを見て基本的な概要について説明します。
1. 小さな電流 (約 1/10*Ic) の IGBT ターンオフに対するパルス幅 ton の影響は小さく、実際には無視できます。
2. IGBT は大電流をオフするときのパルス幅 ton に一定の依存性を持ち、ton が小さいほど電圧スパイク V が高くなり、ターンオフ電流の立ち下がりが急激に変化し、高周波発振が発生します。
3. FWD 特性は、オン時間が短くなるにつれて逆回復プロセスを加速します。FWD のオン時間が短くなると、特に低電流条件下で大きな dv/dt および di/dt が発生します。さらに、高電圧 IGBT には明確な最小ダイオード ターンオン時間 tonmin=10us が与えられます。
論文内の実際のテスト波形は、役割を果たすための参考となる最小時間を示しています。
Zhejiang NeoDen Technology Co., Ltd. は、2010 年以来、さまざまな小型ピック アンド プレース マシンの製造と輸出を行っています。NeoDen は、豊富な経験を積んだ独自の研究開発とよく訓練された生産を活用して、世界中の顧客から高い評価を得ています。
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投稿日時: 2022 年 5 月 24 日