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用于IHM IGBT模块的模块适配板(2)


3 电气特性
以下章节详细介绍了适配器板相关电气特性。文章来源:http://www.igbt8.com/qd/291.html
3.1 电路板实现的功能
MA400Exx 或 MA401Exx提供以下功能:
 有可能采用不同的门极电阻开通和关断功率模块
 拥有一个40A输出电流的双极性功率放大电路级
 通过监测VCE值来检测短路
 有源箝位
图5标出了MA40xExx各功能模块及其所在的位置
MA40xExx的功能块标示
图 5 MA40xExx的功能块标示
3.2 门极电阻
所有的MA40xExx在装配和交付时均不焊接门极电阻,如图5所示。客户必须根据使用的IGBT模块情况选择焊接正确的门极电阻。
在开通门极电阻RGon 和关断门极电阻RGof f的阻值不同时,需要焊接二极管D25,以分别调整RGon 和RGof f的阻值。
3.3 门极信号放大器4
在IGBT开通或关断时,需要从驱动器给IGBT的门极提供或释放高峰值的门极电流。通常情况下,驱动器在驱动单模块时不存在技术上的问题。如果一个驱动器要驱动多个并联的IGBT模块,那么此时需要一个驱动放大电路来给并联的门极提供足够的驱动电流。这种开关条件可能导致门极的功率损耗集中在一个相对较小的物理区域,并有可能引起过热问题。高峰值电流要求采用一个高电流增益的驱动器。
当模块适配器含有一个专用的门极信号放大器时,就有可能克服电流放大增益的限制。原理图如图6所示,MA40xExx已经采用了一个射极跟随器或者功率放大电路。由于六个配对的双极性晶体管并联连接,根据ZXTN2010Z和ZXTP2012Z的双极性晶体管数据手册,在@IG= 40A时电流最小增益不小于100。
采用一个单独的功率放大电路优点在于可以出色地控制任何IHM 类型模块的门极-发射极电压,并且可以使IGBT 模块并联的计变简单。
 MA40xExx的功率放大电路
图 6 MA40xExx的功率放大电路
3.4 通过监测VCE值来检测短路
如果IGBT流过的电流高于几倍额定值的电流,晶体管会欠饱且器件两端的电压会升高。利用该现象可实现短路检测来关断IGBT。英飞凌大功率IGBT模块能承受10μs的短路电流,在这段时间内,需要检测到短路电流且在不超过最大阻断电压情况下将IGBT关断。
当MA40xExx连接到2ED300E17-SFO一起使用时,需要正确选择用于定义软关断功能的RSSD电阻值,以保证正确的短路保护,具体过程已在AN2007-05 的3.5章节中介绍,图7a显示了FZ1600R17HP4_B2 IHMB模块的短路特性,该模块的短路保护功能已在2ED300E17-SFO上关闭了。在这次短路特性测试中,为了保护器件免受损坏,用于开通的门极脉冲持续时间为10μs。在关断时,较高的dIC/dt会产生一个大的过电压尖峰,这个过电压尖峰采用有源箝位电路进行了限制。图7b显示了通过合理的选择RSSD电阻值把短路电流时间限制短于10μs时实现的软关断过程,并减小了关断时的集电极电流的变化率。
综合采用2ED300E17-SFO和短路保护MA400E17的FZ1600R17HP4_B2 IHMB模块的开关特性
图 7 综合采用2ED300E17-SFO和短路保护MA400E17的FZ1600R17HP4_B2 IHMB模块的开关特性
图7a为MA400E17的短路保护关闭,图7b为MA400E17短路保护使能。
3.5 有源电压箝位 – 改进型
有源箝位是一种当IGBT关断时,抑制关断瞬态过电压低于临界极限值的技术。有源箝位的标准用法是用一串雪崩击穿二极管连接于IGBT模块的辅助集电极与门极之间。当集电极与发射极之间的电压超过二极管击穿电压时,二极管电流与驱动器输出的电流叠加在一起。此时由于IGBT门极-发射极电压升高,晶体管保持在有源工作区且关断过程延长。dIC/dt变化率减缓限制了电压过冲。在二极管箝位工作限制过压的这一段时间内雪崩击穿二极管流过高峰值的电流。
MA40xExx内的过电压保护是根据上述的二极管有源箝位技术改进得到的。箝位二极管与IGBT的门极直接相连,也与MA40xExx上的运算放大器输入端相连。因此,用于门极再充电的大部分电流是由门极驱动器的供电电源提供,而不是通过箝位二极管。由于箝位二极管只流过小电流,因此箝位电压大小的一致性更好,此外,还可以使箝位电路的设计独立不受限于所选的外部门极电阻。
图8展示了FZ1600R17HP4 IGBT在900V DC电压下的开关特性。在连续关断期间,对功率放大电路注入的门极电流IG ,流过有源箝位二极管的电流ICLAMP,门极电压VGE,IGBT集射级电压VCE和IGBT电流IC进行了测试。在图8a的额定电流下,IGBT的集射级电压大小不会超过雪崩击穿二极管的击穿电压。流过二极管的电流基本接近于零,提高IGBT流过的电流等级,IGBT关断时导致电压过冲超过雪崩击穿二极管的击穿电压。此时箝位二极管流过高峰值的电流,如标注出的区域A所示。这个电流激活驱动电路中的功率放大电路对门极进行充电,使门极电压再次达到开通值。随着集电极电流减小IGBT维持工作在线性工作区。结果是,器件两端的电压减小。一旦过电压减小到期望的值,箝位二极管恢复到阻断状态,并关断门极。IGBT的关断过程按所要求的情况继续进行。
FZ1600R17HP4_B2 IHM 采用改进型有源箝位的开关特性: a) VDC=900V, IC=1600A, b) VDC=900V, IC=3200A, RGoff=0,47 and Tj=25°C
图 8 FZ1600R17HP4_B2 IHM 采用改进型有源箝位的开关特性: a) VDC=900V, IC=1600A, b) VDC=900V, IC=3200A, RGoff=0,47 and Tj=25°C
3.6 最高开关频率
驱动器的最大功率,或者外部门极电阻上的功耗导致的PCB最高温度,都限制了IGBT的开关频率。门极电阻上的功耗取决于IGBT的门极电荷、门极电压和IGBT的开关频率。由于外部门极电阻的功耗产生的热量,将导致这些电阻附近的PCB温度升高。温度升高不允许超过使用时PCB允许的工作温度,例如,FR4标准的材料为105°C。
门级电阻上的功耗可利用公式1进行计算
Pdis = P(REXT ) + P(RINT ) =ΔVout * fs * QG
参数的定义:
Pdis 损耗的功率 [W],
ΔVout 驱动输出的电压阶跃 [V]
fs 开关频率 [Hz],
QG 由数据手册提供的给定门极电压范围下的IGBT门极电荷,
完整的门极电阻包括内部门极电阻RGINT和装配在MA40xE12/E17上的外部门极电阻RGEXT。在这种情况下,一部分相关的功耗会通过DCB直接散热到模块的基板上,而另一部分功耗将散热到外部的周围空气中或者PCB内,内部损耗功率与外部损耗功率的比例与上述电阻RGINT and RGEXT直接对应。图9所示的测量结果说明了外部门极电阻温度是该电阻上产生损耗的函数。可以从图表中得出,在RGEXT 上的损耗为1.1W的情况下,周围环境温度为25°C以及基板温度为125°C时,PCB的最高温度达到了105°C。在这种情况下,开关频率的限制因素不是每个通道可输出4W功率的DC/DC变换器。器件工作的限制因素是PCB的最高温度。为了可以工作在更高的开关频率,只能利用耐温更高的PCB,或者改进更容易把热量散热到环境中的电阻。
电路板的温度 vs. 外部门极电阻损耗在TC = 125°C和TC = 125°C时
MA400E12/17 PCB 温度 vs. 门极电阻损耗
图 9 MA400E12/17 PCB 温度 vs. 门极电阻损耗
当基板和周围环境温度不同于上面所示的例子时,为了计算所允许的功耗P(REXT),可利用公式(2):
计算所允许的功耗P(REXT)
最后,当MA400Exx 和2ED300E17-SFO一起使用时,对于给定的Tbaseplate 和 Tambient,由公式(3)可求解得IGBT 的最高允许开关频率为:
IGBT 的最高允许开关频率
系数k= 1.2代表了一组参数允许的偏差,是基于测量和经验得到的。
3.8 并联工作
灵活方便的St ar t er 组件包括一个2ED300E17-SFO,一个2ED300E17-S /-ST驱动板,和可用于驱动单个IHM模块或者高达三个并联的IHM模块的MA40xExx模块适配器板,如图10所示。在这种情况下,每个IHM模块都配有专用的、与2ED300E17-SFO 相连接的MA40xExx电路板。必须注意到,在任何一种情况下,都应该根据AN2007-05的 3 .5章节进行选取RSSD值。
用于带三个IHM模块并联工作的三个MA40xExx与一个2ED300E17-SFO的之间连接
图10 用于带三个IHM模块并联工作的三个MA40xExx与一个2ED300E17-SFO的之间连接
 
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