อธิบายปรากฏการณ์ชีพจรแคบของ IGBT

ปรากฏการณ์ชีพจรแคบคืออะไร

ในฐานะที่เป็นสวิตช์ไฟชนิดหนึ่ง IGBT ต้องใช้เวลาตอบสนองที่แน่นอนจากสัญญาณระดับเกตไปจนถึงกระบวนการเปลี่ยนอุปกรณ์ เช่นเดียวกับที่บีบมือเร็วเกินไปในชีวิตเพื่อเปลี่ยนเกตได้ง่าย ชีพจรเปิดสั้นเกินไปอาจทำให้เกิดสูงเกินไป แรงดันไฟกระชากหรือปัญหาการสั่นของความถี่สูงปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นอย่างช่วยไม่ได้เป็นครั้งคราว เนื่องจาก IGBT ถูกขับเคลื่อนโดยสัญญาณมอดูเลต PWM ความถี่สูงยิ่งรอบการทำงานเล็กลง เอาต์พุตพัลส์แคบก็จะง่ายขึ้น และคุณลักษณะการกู้คืนแบบย้อนกลับของไดโอดต่ออายุแบบต้านขนาน IGBT FWD จะเร็วขึ้นในระหว่างการต่ออายุฮาร์ดสวิตซ์ถึง 1700V/1000A IGBT4 E4 ข้อกำหนดในอุณหภูมิทางแยก Tvj.op = 150 ℃ เวลาเปลี่ยน tdon = 0.6us, tr = 0.12us และ tdoff = 1.3us, tf = 0.59us ความกว้างพัลส์แคบต้องไม่น้อยกว่า กว่าผลรวมของเวลาในการเปลี่ยนข้อมูลจำเพาะในทางปฏิบัติ เนื่องจากลักษณะโหลดที่แตกต่างกัน เช่น เซลล์แสงอาทิตย์และการจัดเก็บพลังงานอย่างท่วมท้นเมื่อตัวประกอบกำลังเป็น + / – 1 พัลส์แคบจะปรากฏขึ้นใกล้กับจุดศูนย์ปัจจุบัน เช่น เครื่องกำเนิดพลังงานปฏิกิริยา SVG, ตัวประกอบกำลัง APF ของตัวกรองที่ใช้งานเป็น 0, พัลส์แคบจะปรากฏขึ้นใกล้กับกระแสโหลดสูงสุด การใช้งานจริงของกระแสใกล้กับจุดศูนย์มีแนวโน้มที่จะปรากฏบนการแกว่งความถี่สูงของรูปคลื่นเอาท์พุต ปัญหา EMI ตามมา

ปรากฏการณ์ชีพจรแคบของสาเหตุ

จากพื้นฐานเซมิคอนดักเตอร์สาเหตุหลักที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์พัลส์แคบนั้นเกิดจากการที่ IGBT หรือ FWD เพิ่งเปิดเครื่องไม่ได้เต็มไปด้วยพาหะในทันทีเมื่อพาหะแพร่กระจายเมื่อปิด IGBT หรือชิปไดโอดเมื่อเทียบกับพาหะอย่างสมบูรณ์ เต็มหลังจากปิดเครื่อง di / dt อาจเพิ่มขึ้นแรงดันไฟฟ้าเกินในการปิด IGBT ที่สูงขึ้นที่สอดคล้องกันจะถูกสร้างขึ้นภายใต้การเหนี่ยวนำการสลับที่หลงทาง ซึ่งอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันในกระแสการกู้คืนแบบย้อนกลับของไดโอดและทำให้เกิดปรากฏการณ์การหลุดออกอย่างไรก็ตาม ปรากฏการณ์นี้เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับเทคโนโลยีชิป IGBT และ FWD แรงดันและกระแสของอุปกรณ์

ขั้นแรก เราต้องเริ่มจากแผนผังพัลส์คู่แบบคลาสสิก รูปต่อไปนี้แสดงลอจิกการสลับของแรงดันไฟไดรฟ์เกท IGBT กระแส และแรงดันไฟฟ้าจากตรรกะการขับเคลื่อนของ IGBT สามารถแบ่งออกเป็น toff เวลาปิดพัลส์แคบ ซึ่งจริงๆ แล้วสอดคล้องกับตันเวลาการนำเชิงบวกของไดโอด FWD ซึ่งมีอิทธิพลอย่างมากต่อกระแสสูงสุดในการกู้คืนแบบย้อนกลับและความเร็วการกู้คืน เช่น จุด A ในรูป กำลังสูงสุดสูงสุดของการกู้คืนแบบย้อนกลับต้องไม่เกินขีดจำกัดของ FWD SOAและเวลาเปิดพัลส์ที่แคบลง ซึ่งส่งผลกระทบค่อนข้างมากต่อกระบวนการปิด IGBT เช่นจุด B ในรูป โดยส่วนใหญ่เป็นแรงดันไฟปิด IGBT และการแกว่งต่อท้ายของกระแส

แต่การเปิด-ปิดอุปกรณ์พัลส์ที่แคบเกินไปจะทำให้เกิดปัญหาอะไรบ้าง?ในทางปฏิบัติ ขีดจำกัดความกว้างพัลส์ขั้นต่ำที่สมเหตุสมผลคือเท่าใดปัญหาเหล่านี้ยากต่อการได้มาซึ่งสูตรสากลเพื่อคำนวณโดยตรงกับทฤษฎีและสูตร การวิเคราะห์ทางทฤษฎีและการวิจัยก็ค่อนข้างน้อยเช่นกันจากรูปคลื่นการทดสอบจริงและผลลัพธ์เพื่อดูกราฟที่จะพูด การวิเคราะห์และการสรุปลักษณะและความเหมือนกันของแอปพลิเคชัน ซึ่งจะช่วยให้คุณเข้าใจปรากฏการณ์นี้ได้มากขึ้น จากนั้นจึงปรับการออกแบบให้เหมาะสมเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหา

IGBT การเปิดพัลส์แคบ

IGBT เป็นสวิตช์ที่ใช้งานอยู่ การใช้กรณีจริงเพื่อดูกราฟเพื่อพูดถึงปรากฏการณ์นี้น่าเชื่อถือมากขึ้น ที่จะมีสินค้าแห้งที่เป็นวัสดุ

การใช้โมดูลกำลังสูง IGBT4 PrimePACK™ FF1000R17IE4 เป็นวัตถุทดสอบ คุณลักษณะการปิดเครื่องเมื่อตันเปลี่ยนแปลงภายใต้เงื่อนไข Vce=800V, Ic=500A, Rg=1.7Ω Vge=+/-15V, Ta= 25°C, สีแดงคือ Ic ของตัวสะสม, สีน้ำเงินคือแรงดันไฟฟ้าที่ปลายทั้งสองด้านของ IGBT Vce, สีเขียวคือแรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์ Vgeวีจีตันพัลส์ลดลงจาก 2us เป็น 1.3us เพื่อดูการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟกระชาก Vcep รูปต่อไปนี้จะแสดงภาพรูปคลื่นทดสอบทีละน้อยเพื่อดูกระบวนการเปลี่ยนแปลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งแสดงในวงกลม

เมื่อตันเปลี่ยน Ic ปัจจุบัน ในมิติ Vce เพื่อดูการเปลี่ยนแปลงในลักษณะที่เกิดจากตันกราฟด้านซ้ายและขวาแสดงแรงดันไฟกระชาก Vce_peak ที่กระแสต่างกัน Ic ภายใต้สภาวะ Vce=800V และ 1000V เดียวกันตามลำดับจากผลการทดสอบตามลำดับ ตันมีผลกระทบค่อนข้างน้อยต่อแรงดันไฟกระชาก Vce_peak ที่กระแสขนาดเล็กเมื่อกระแสปิดเพิ่มขึ้น การปิดพัลส์แบบแคบมีแนวโน้มที่จะเกิดการเปลี่ยนแปลงกะทันหันของกระแสไฟฟ้า และทำให้เกิดไฟฟ้าแรงสูงพุ่งสูงขึ้นในเวลาต่อมาการใช้กราฟด้านซ้ายและขวาเป็นพิกัดในการเปรียบเทียบ ton มีผลกระทบต่อกระบวนการปิดระบบมากขึ้น เมื่อ Vce และ Ic ปัจจุบันสูงกว่า และมีแนวโน้มว่าจะมีการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันอย่างกะทันหันมากกว่าจากการทดสอบเพื่อดูตัวอย่างนี้ FF1000R17IE4 ตันพัลส์ขั้นต่ำใช้เวลาที่เหมาะสมที่สุดไม่น้อยกว่า 3us

มีความแตกต่างระหว่างประสิทธิภาพของโมดูลกระแสสูงและโมดูลกระแสต่ำในปัญหานี้หรือไม่?ยกตัวอย่างโมดูลกำลังปานกลาง FF450R12ME3 รูปต่อไปนี้แสดงแรงดันไฟฟ้าเกินพิกัดเมื่อตันเปลี่ยนแปลงสำหรับกระแสทดสอบ Ic ที่แตกต่างกัน

ผลลัพธ์ที่คล้ายกัน ผลกระทบของตันต่อแรงดันไฟฟ้าที่ปิดเกินนั้นไม่มีนัยสำคัญที่สภาวะกระแสไฟต่ำต่ำกว่า 1/10*Icเมื่อกระแสเพิ่มขึ้นเป็นกระแสพิกัด 450A หรือแม้แต่กระแส 2*Ic ของ 900A แรงดันไฟฟ้าเกินขนาดตามความกว้างตันจะชัดเจนมากเพื่อทดสอบประสิทธิภาพของคุณลักษณะของสภาวะการทำงานภายใต้สภาวะที่รุนแรงเป็น 3 เท่าของกระแสไฟพิกัดที่ 1350A แรงดันไฟพุ่งเกินแรงดันบล็อก โดยฝังอยู่ในชิปที่ระดับแรงดันไฟฟ้าที่แน่นอน โดยไม่ขึ้นกับความกว้างตัน .

รูปต่อไปนี้แสดงรูปคลื่นทดสอบเปรียบเทียบของ ton=1us และ 20us ที่ Vce=700V และ Ic=900Aจากการทดสอบจริง ความกว้างพัลส์ของโมดูลที่ ton=1us เริ่มแกว่ง และแรงดันไฟฟ้า Vcep ที่ขัดขวางนั้นสูงกว่า ton=20us 80Vดังนั้นจึงแนะนำว่าเวลาชีพจรขั้นต่ำไม่ควรน้อยกว่า 1us

การเปิดพัลส์แคบ FWD

ในวงจรฮาล์ฟบริดจ์ ค่าพัลส์การปิด IGBT จะสอดคล้องกับตันเวลาเปิดเครื่อง FWDรูปด้านล่างแสดงให้เห็นว่าเมื่อเวลาเปิดเครื่อง FWD น้อยกว่า 2us จุดสูงสุดของกระแสย้อนกลับของ FWD จะเพิ่มขึ้นที่กระแสไฟพิกัดที่ 450Aเมื่อ toff มากกว่า 2us กระแสการกู้คืนย้อนกลับ FWD สูงสุดจะไม่เปลี่ยนแปลงโดยพื้นฐาน

IGBT5 PrimePACK™3 + FF1800R17IP5 เพื่อสังเกตคุณลักษณะของไดโอดกำลังสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้สภาวะกระแสไฟต่ำที่มีการเปลี่ยนแปลงตัน แถวต่อไปนี้จะแสดงสภาวะ VR = 900V, 1200V ในสภาวะกระแสไฟขนาดเล็ก IF = 20A ของการเปรียบเทียบโดยตรง ของรูปคลื่นทั้งสองนั้นชัดเจนว่าเมื่อ ton = 3us ออสซิลโลสโคปไม่สามารถจับแอมพลิจูดของการสั่นความถี่สูงนี้ได้นอกจากนี้ยังพิสูจน์ว่าการแกว่งความถี่สูงของกระแสโหลดที่มากกว่าจุดศูนย์ในแอปพลิเคชันอุปกรณ์กำลังสูงและกระบวนการกู้คืนแบบย้อนกลับระยะสั้นของ FWD มีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด

หลังจากดูรูปคลื่นที่เข้าใจง่ายแล้ว ให้ใช้ข้อมูลจริงเพื่อหาปริมาณและเปรียบเทียบกระบวนการนี้เพิ่มเติมdv/dt และ di/dt ของไดโอดจะแปรผันตาม toff และยิ่งเวลาการนำ FWD น้อยลง คุณลักษณะย้อนกลับก็จะเร็วขึ้นเท่านั้นเมื่อ VR ที่ปลายทั้งสองข้างของ FWD สูงขึ้น เมื่อพัลส์การนำไดโอดแคบลง ความเร็วในการกู้คืนแบบย้อนกลับของไดโอดจะถูกเร่งขึ้น โดยเฉพาะเมื่อพิจารณาข้อมูลในสภาวะ ton = 3us

VR = 1200V เมื่อ

dv/dt=44.3kV/เรา;ดิ/ดีที=14kA/เรา

ที่ VR=900V.

dv/dt=32.1kV/เรา;ดิ/ดีที=12.9kA/เรา

จากมุมมองของ ton=3us การแกว่งของความถี่สูงของรูปคลื่นจะรุนแรงกว่า และนอกเหนือจากพื้นที่ทำงานที่ปลอดภัยของไดโอดแล้ว เวลาตรงไม่ควรน้อยกว่า 3us จากมุมมองของไดโอด FWD

ในข้อกำหนดของ IGBT แรงดันสูง 3.3kV ข้างต้น มีการกำหนดตันเวลาการนำไปข้างหน้าของ FWD อย่างชัดเจนและจำเป็น โดยใช้ 2400A/3.3kV HE3 เป็นตัวอย่าง เวลานำไดโอดขั้นต่ำ 10us ได้รับการกำหนดไว้อย่างชัดเจนเป็นขีดจำกัด ซึ่งเป็นสาเหตุหลักมาจากการเหนี่ยวนำวงจรระบบในการใช้งานกำลังสูงมีขนาดค่อนข้างใหญ่ เวลาในการสลับค่อนข้างยาว และกระบวนการชั่วคราวในกระบวนการเปิดอุปกรณ์ มันเป็นเรื่องง่ายที่จะเกินการใช้พลังงานไดโอดสูงสุดที่อนุญาต PRQM

จากรูปคลื่นการทดสอบจริงและผลลัพธ์ของโมดูล ให้ดูกราฟและพูดคุยเกี่ยวกับบทสรุปพื้นฐาน

1. ผลกระทบของตันความกว้างพัลส์ต่อ IGBT การปิดกระแสไฟฟ้าขนาดเล็ก (ประมาณ 1/10*Ic) มีขนาดเล็กและสามารถละเลยได้จริง

2. IGBT มีการพึ่งพาตันความกว้างพัลส์เมื่อปิดกระแสสูง ยิ่งตันเล็กลง แรงดันไฟฟ้า V ก็จะยิ่งสูงขึ้น และกระแสไฟที่ปิดต่อท้ายจะเปลี่ยนทันทีและการสั่นของความถี่สูงจะเกิดขึ้น

3. คุณลักษณะ FWD จะเร่งกระบวนการกู้คืนแบบย้อนกลับเมื่อเวลาตรงจะสั้นลง และยิ่งเวลาตรงของ FWD สั้นลงก็จะทำให้เกิด dv/dt และ di/dt ขนาดใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้สภาวะกระแสไฟต่ำนอกจากนี้ IGBT แรงดันสูงจะมีเวลาเปิดไดโอดขั้นต่ำที่ชัดเจน tonmin=10us

รูปคลื่นการทดสอบจริงในรายงานได้ให้เวลาขั้นต่ำในการอ้างอิงเพื่อมีบทบาท

Zhejiang NeoDen Technology Co., Ltd. ผลิตและส่งออกเครื่องคัดแยกและวางขนาดเล็กต่างๆ ตั้งแต่ปี 2010 การใช้ประโยชน์จาก R&D ที่มีประสบการณ์อันยาวนานของเราเอง การผลิตที่ได้รับการฝึกอบรมมาเป็นอย่างดี ทำให้ NeoDen ได้รับชื่อเสียงอย่างมากจากลูกค้าทั่วโลก

ด้วยการปรากฏตัวทั่วโลกในกว่า 130 ประเทศ ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม ความแม่นยำสูง และความน่าเชื่อถือของเครื่องจักร NeoDen PNP ทำให้เครื่องเหล่านี้สมบูรณ์แบบสำหรับการวิจัยและพัฒนา การสร้างต้นแบบระดับมืออาชีพ และการผลิตจำนวนน้อยถึงขนาดกลางเราให้บริการโซลูชั่นระดับมืออาชีพสำหรับอุปกรณ์ SMT แบบครบวงจร

เพิ่ม:No.18, Tianzihu Avenue, Tianzihu Town, Anji County, เมืองหูโจว, จังหวัดเจ้อเจียง, จีน

โทรศัพท์:86-571-26266266