改进的开关性能快速IGBT带来新的挑战

1 前言
降低动态功耗需要快速地开关功率半导体器件。一个典型的系统包括几10个并联的功率半导体器件，这些功率半导体器件在1000V直流母线上开关着数1000A的电流。由此产生的功耗对应用工程师来说特别具有挑战性，工程师们努力保持开关时间尽可能的短，但这说起来容易做起来难。
应用工程师要求更高的开关速度，同时降低动态损耗。这是因为需要以最小的PWM频率而得到一个最近似的正弦输出信号。更高的时钟频率减少了驱动系统中由谐波导致的损耗和机械应力。而最新一代的快速开关IGBT开启了各种可能性。但是，不利的一面是它们也带来了问题，就是对关断电压峰值有特别强烈的影响。

2 高效的关断控制
这项需求是明确的：功率半导体器件快速关断。然而，这本身也存在问题：除了更大的EMC干扰，关断的过程中功率半导体器件上会产生危险的电压尖峰。如果超出了允许的最大阻断电压，功率半导体器件可能被损坏，通常会造成短路。图1显示了一个在直流母线电压和交流输出端子之间带有短路电感LB的半桥。在这个例子中，晶体管T2导通时将会导致电流iZK（UCE可以忽略不计）持续上升（回路I），由式（1）表示。
(1)
其中 :
在关断期间（回路II），iZK必须在IGBT关断时间内降为零。存储在LZK内的磁场试图保持电流iZK，如果该电流是由吸收电容CZK吸收，这是可能实现的。由于该组合是一个谐振电路[3]，会产生一个谐振频率与LZK, CZK和RZK相对应的衰减正弦波叠加：

图1 直流母线和带短路电感LB（简化的）的半桥

图2 T2时刻的电压uCE和电流iC

储存在电感LZK的电磁能向吸收电容充电，吸收电容电压达到UZK+A(在t=π/2时)。
与此同时，通过短路电感LB的正向电流流过二极管D1。此外，由于该电流的影响和二极管的正向恢复（图3），产生了一个附加电压分量。
在开关操作后，还必须观察代表开路的电流分支部分。由于di/dt的存在，归总在LModule中的寄生电感确保电压峰值高并且也被叠加。

3 电压曲线uCE
关断期间晶体管T2上的电压曲线uCE（图2）包括3个部分：
uCE =UZK+uModule+uZK （3）
⑴ 恒定的直流母线电压UZK ；
⑵ LModule上较大的di/dt导致关断期间的电压曲线uModule和续流二极管D1上的较大的di/dt；
⑶ 吸收电容和直流母线电感之间的振荡，是由它们的谐振和LZK里所储存的能量导致（吸收电容上的寄生电感LSn及其引线，导致一个幅值略高的T=π/2的正弦波，因为它在关断时间仍未被放电）。
不同的部分应以真正的uCE曲线为基础来定义。这里，在关断过程开始的时刻UZK从零开始，因为吸收电容的电压仍然与直流母线电压同等级，寄生电感LZK的能量转移在这一刻才刚刚开始。
模块寄生电感所导致的电压和二极管正向恢复时间是di/dt的函数，耦合到T2时刻的关断过程中。唯一可被影响的di/dt是开关时间，因为电流量被定义为与负载相关。一旦关断过程完成，该电压部分将再次消失。只有在直流母线电路的摆动瞬态仍然可以看到。