¿Qué es el fenómeno del pulso estrecho?
Como una especie de interruptor de encendido, el IGBT necesita un cierto tiempo de reacción desde la señal de nivel de puerta hasta el proceso de conmutación del dispositivo, así como es fácil apretar la mano demasiado rápido en la vida para cambiar la puerta, un pulso de apertura demasiado corto puede causar un impulso demasiado alto. picos de voltaje o problemas de oscilación de alta frecuencia.Este fenómeno ocurre inevitablemente de vez en cuando, ya que el IGBT es impulsado por señales moduladas por PWM de alta frecuencia.Cuanto menor sea el ciclo de trabajo, más fácil será generar pulsos estrechos, y las características de recuperación inversa del diodo de renovación antiparalelo IGBT FWD se vuelven más rápidas durante la renovación de conmutación dura.Para 1700V/1000A IGBT4 E4, la especificación en la temperatura de unión Tvj.op = 150 ℃, el tiempo de conmutación tdon = 0,6us, tr = 0,12us y tdoff = 1,3us, tf = 0,59us, el ancho de pulso estrecho no puede ser menor que la suma del tiempo de conmutación especificado.En la práctica, debido a las diferentes características de carga, como la fotovoltaica y el almacenamiento de energía, abrumadoramente cuando el factor de potencia es de +/- 1, el pulso estrecho aparecerá cerca del punto cero actual, como el generador de energía reactiva SVG, el filtro activo APF con factor de potencia de 0, el pulso estrecho aparecerá cerca de la corriente de carga máxima, es más probable que la aplicación real de la corriente cerca del punto cero aparezca en la oscilación de alta frecuencia de la forma de onda de salida, lo que produce problemas de EMI.
Fenómeno de pulso estrecho de la causa.
Desde los fundamentos de los semiconductores, la razón principal del fenómeno del pulso estrecho se debe a que el IGBT o FWD recién comenzó a encenderse, no se llenó inmediatamente con portadores, cuando el portador se extendió al apagar el IGBT o el chip de diodo, en comparación con el portador por completo. lleno después del apagado, di / dt puede aumentar.La correspondiente sobretensión de apagado IGBT más alta se generará bajo la inductancia parásita de conmutación, lo que también puede causar un cambio repentino en la corriente de recuperación inversa del diodo y, por lo tanto, un fenómeno de ruptura.Sin embargo, este fenómeno está estrechamente relacionado con la tecnología de chip IGBT y FWD, el voltaje y la corriente del dispositivo.
Primero, tenemos que comenzar con el esquema clásico de doble pulso; la siguiente figura muestra la lógica de conmutación del voltaje, la corriente y el voltaje del controlador de compuerta IGBT.Desde la lógica de conducción del IGBT, se puede dividir en tiempo de apagado de pulso estrecho toff, que en realidad corresponde al tiempo de conducción positiva tonelada del diodo FWD, que tiene una gran influencia en la corriente máxima de recuperación inversa y la velocidad de recuperación, como el punto A. en la figura, la potencia máxima máxima de recuperación inversa no puede exceder el límite de FWD SOA;y el tiempo de encendido del pulso estrecho, esto tiene un impacto relativamente grande en el proceso de apagado del IGBT, como el punto B en la figura, principalmente los picos de voltaje de apagado del IGBT y las oscilaciones de corriente.
Pero, ¿qué problemas causará el encendido y apagado del dispositivo con un pulso demasiado estrecho?En la práctica, ¿cuál es el límite mínimo de ancho de pulso que es razonable?Estos problemas son difíciles de derivar fórmulas universales para calcular directamente con teorías y fórmulas, el análisis teórico y la investigación también son relativamente pequeños.Desde la forma de onda de la prueba real y los resultados hasta ver el gráfico, hablar, analizar y resumir las características y puntos en común de la aplicación, es más propicio para ayudarlo a comprender este fenómeno y luego optimizar el diseño para evitar problemas.
Encendido de pulso estrecho IGBT
IGBT como interruptor activo, usar casos reales para ver el gráfico para hablar de este fenómeno es más convincente, para tener algunos productos materiales secos.
Usando el módulo de alta potencia IGBT4 PrimePACK™ FF1000R17IE4 como objeto de prueba, las características de apagado del dispositivo cuando la tonelada cambia bajo las condiciones de Vce=800V, Ic=500A, Rg=1.7Ω Vge=+/-15V, Ta= 25 ℃, el rojo es el colector Ic, el azul es el voltaje en ambos extremos del IGBT Vce, el verde es el voltaje del variador Vge.Vgé.la tonelada de pulso disminuye de 2us a 1.3us para ver el cambio de este pico de voltaje Vcep, la siguiente figura visualiza la forma de onda de prueba progresivamente para ver el proceso de cambio, especialmente se muestra en el círculo.
Cuando ton cambia el Ic actual, en la dimensión Vce para ver el cambio en las características causado por ton.Los gráficos izquierdo y derecho muestran los picos de voltaje Vce_pico a diferentes corrientes Ic bajo las mismas condiciones Vce=800V y 1000V respectivamente.a partir de los resultados de las pruebas respectivas, ton tiene un efecto relativamente pequeño sobre los picos de tensión Vce_pico a corrientes pequeñas;Cuando la corriente de apagado aumenta, el apagado por pulso estrecho es propenso a cambios repentinos en la corriente y posteriormente causa picos de alto voltaje.Tomando los gráficos izquierdo y derecho como coordenadas para comparar, la tonelada tiene un mayor impacto en el proceso de apagado cuando Vce y la Ic actual son más altas, y es más probable que tenga un cambio de corriente repentino.De la prueba para ver este ejemplo FF1000R17IE4, el pulso mínimo en el tiempo más razonable no es inferior a 3us.
¿Existe alguna diferencia entre el rendimiento de los módulos de alta corriente y los módulos de baja corriente en este tema?Tome el módulo de potencia media FF450R12ME3 como ejemplo; la siguiente figura muestra el exceso de voltaje cuando la tonelada cambia para diferentes corrientes de prueba Ic.
Resultados similares, el efecto de la tonelada sobre el exceso de voltaje de apagado es insignificante en condiciones de corriente baja por debajo de 1/10*Ic.Cuando la corriente aumenta a la corriente nominal de 450 A o incluso a 2 * Ic de 900 A, el exceso de voltaje con una tonelada de ancho es muy obvio.Para probar el desempeño de las características de las condiciones de operación en condiciones extremas, 3 veces la corriente nominal de 1350A, los picos de voltaje han excedido el voltaje de bloqueo, quedando incrustados en el chip a un cierto nivel de voltaje, independiente de la tonelada de ancho. .
La siguiente figura muestra las formas de onda de prueba comparativas de ton=1us y 20us a Vce=700V e Ic=900A.A partir de la prueba real, el ancho de pulso del módulo en ton=1us ha comenzado a oscilar y el pico de voltaje Vcep es 80 V mayor que ton=20us.Por lo tanto, se recomienda que el tiempo mínimo de pulso no sea inferior a 1 us.
Encendido de pulso estrecho FWD
En el circuito de medio puente, el pulso de apagado del IGBT tooff corresponde al tiempo de encendido del FWD ton.La siguiente figura muestra que cuando el tiempo de encendido del FWD es inferior a 2 us, el pico de corriente inversa del FWD aumentará a la corriente nominal de 450 A.Cuando toff es mayor que 2us, la corriente máxima de recuperación inversa FWD básicamente no cambia.
IGBT5 PrimePACK™3 + FF1800R17IP5 para observar las características de los diodos de alta potencia, especialmente en condiciones de baja corriente con cambios de toneladas, la siguiente fila muestra las condiciones VR = 900 V, 1200 V, en las condiciones de corriente pequeña IF = 20 A de la comparación directa De las dos formas de onda, está claro que cuando ton = 3us, el osciloscopio no ha podido mantener la amplitud de esta oscilación de alta frecuencia.Esto también demuestra que la oscilación de alta frecuencia de la corriente de carga sobre el punto cero en aplicaciones de dispositivos de alta potencia y el proceso de recuperación inversa de corta duración FWD están estrechamente relacionados.
Después de observar la forma de onda intuitiva, utilice los datos reales para cuantificar y comparar aún más este proceso.dv/dt y di/dt del diodo varían con toff, y cuanto menor sea el tiempo de conducción FWD, más rápidas serán sus características inversas.Cuando mayor es el VR en ambos extremos del FWD, a medida que el pulso de conducción del diodo se vuelve más estrecho, la velocidad de recuperación inversa del diodo se acelerará, específicamente observando los datos en condiciones de tonelada = 3us.
VR = 1200V cuando.
dv/dt=44,3kV/us;di/dt=14kA/us.
En VR=900V.
dv/dt=32,1kV/us;di/dt=12,9kA/us.
En vista de ton=3us, la oscilación de alta frecuencia de la forma de onda es más intensa y, más allá del área de trabajo segura del diodo, el tiempo de encendido no debe ser inferior a 3us desde el punto de vista del FWD del diodo.
En la especificación anterior del IGBT de alto voltaje de 3,3 kV, el tiempo de conducción directa FWD se ha definido y requerido claramente, tomando 2400 A/3,3 kV HE3 como ejemplo, el tiempo mínimo de conducción del diodo de 10 us se ha dado claramente como límite. Esto se debe principalmente a que la inductancia parásita del circuito del sistema en aplicaciones de alta potencia es relativamente grande, el tiempo de conmutación es relativamente largo y el transitorio en el proceso de apertura del dispositivo es fácil exceder el consumo máximo permitido de energía del diodo PRQM.
A partir de las formas de onda de prueba reales y los resultados del módulo, mire los gráficos y hable sobre algunos resúmenes básicos.
Primero, el impacto de la tonelada de ancho de pulso en el IGBT que apaga la corriente pequeña (aproximadamente 1/10 * Ic) es pequeño y en realidad puede ignorarse.
2. El IGBT tiene una cierta dependencia de la tonelada de ancho de pulso cuando se apaga una corriente alta, cuanto más pequeña es la tonelada, mayor es el pico de voltaje V, y la corriente de apagado cambiará abruptamente y se producirá una oscilación de alta frecuencia.
3. Las características de FWD aceleran el proceso de recuperación inversa a medida que el tiempo de encendido se acorta, y cuanto más corto sea el tiempo de encendido de FWD, causará grandes dv/dt y di/dt, especialmente en condiciones de baja corriente.Además, a los IGBT de alto voltaje se les asigna un tiempo mínimo claro de encendido del diodo tonmin=10us.
Las formas de onda de prueba reales en el artículo han proporcionado un tiempo mínimo de referencia para desempeñar un papel.
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Hora de publicación: 24 de mayo de 2022