中国电子技术网

设为首页 网站地图 加入收藏

 
 

如何测量功率回路中的杂散电感

关键词:测量功率回路 电感 英飞凌

时间:2024-03-25 11:05:08      来源:英飞凌工业半导体

影响IGBT和SiC MOSFET在系统中的动态特性有两个非常重要的参数:寄生电感和寄生电容。而本文主要介绍功率回路中寄生电感的定义和测试方法,包括直流母线电容的寄生电感,直流母排寄生电感以及模块本身的寄生电感。

影响IGBT和SiC MOSFET在系统中的动态特性有两个非常重要的参数:寄生电感和寄生电容。而本文主要介绍功率回路中寄生电感的定义和测试方法,包括直流母线电容的寄生电感,直流母排寄生电感以及模块本身的寄生电感。

功率电路寄生电感在哪里?

图1给出了半桥电路中不同位置寄生电感示意图,主要包括三类:连接母排及功率回路中的寄生电感,IGBT模块内部寄生电感,直流母线电容寄生电感,分别如下图中a、b、c所示。


图1 半桥电路中三类寄生电感位置示意图

1. 连接母排以及功率回路中的寄生电感

连接母排以及功率回路中的寄生电感,如图1中a位置所示。对于功率模块中常见的连接母排主要包括并行母排和叠层母排。寄生电感取决于母排的宽度与间距之比,并行母排每米的寄生电感可高达550nH,而叠层母排可以实现非常低的寄生电感,所以在大电流的IGBT、碳化硅功率回路设计更推荐使用叠层母排。一个200mm长的叠层母排,假设宽度为100mm,它的绝缘层厚度可以做到0.5毫米,这时寄生电感可以做到个位数量级。

2. IGBT模块本身也存在寄生电感

IGBT模块本身也存在寄生电感,主要包括内部键合线、 DCB和覆铜层以及其接线端子之间回路包围的面积,如图1中b位置所示。IGBT模块本身的寄生电感对不同的拓扑定义不同,其数值与封装也有关系,往往在数据表中会给出,如下表1所示,是一个62mm半桥模块的寄生电感,约为20nH。

表1 62mm 半桥模块的寄生电感

当IGBT关断时,变化的电流di/dt会在回路寄生电感上产生电压,这个感应电压会叠加在母线电压上,使得IGBT CE之间出现一个电压尖峰。因为有模块内部寄生电感的存在,IGBT芯片实际承受的电压大于在模块主端子上测得的电压,因此部分模块在定义RBSOA曲线时,会分别给出芯片级和模块级的曲线,模块级的RBSOA曲线会低于芯片级曲线,如图2所示。更多详细信息可参考《IGBT安全工作区知多少》。


图2 IGBT的RBSOA曲线

3. 直流母线电容以及相应引脚处的寄生电感

直流母线电容以及相应引脚处的寄生电感,如图1中c位置所示。图3给出大功率电力电子线路用的直流母线电容的数据表,寄生电感在15-40nH 之间。


图3 大功率直流母线电容数据表

电感的测试原理

下面来分析寄生电感测量方法的基本原理:变化的电流流经电感会产生电压降,di/dt和电感上产生的电压降满足公式:

我们上面列举的三类电感,均可以测量不同端子两端的电压和电流计算。在IGBT应用中,我们重视整体功率回路电感对IGBT CE极间电压的影响,因此测试时会把电压探头的表笔,夹在IGBT模块CE端子之间。这里以测试IGBT 62mm模块为例,展示具体操作细节如下:

将待测62mm IGBT模块串联接入双脉冲半桥测试回路中,同时保持上管常关,下管给定双脉冲驱动信号,将电压差分探头连接在图4(a)中b1和b2两点之间,使用电流探头测试流经下管的Ic电流,实测模块以及探头放置位置如图4(b)所示,同时图5也给出了Infineon 62mm模块的双脉冲测试结果。


图4 62mm IGBT模块内部寄生电感测试方法


图5 62mm IGBT模块的开通和关断测试波形

在开通瞬态和关断瞬态,杂散电感上都会产生电压降,那么究竟是选择开通还是关断过程来计算杂感值呢?对于关断过程中产生的Vce电压尖峰主要包含杂散电感上的电压和二极管的正向恢复电压,如图5(a)所示,且IGBT的关断dic/dt不太受门极控制,且电压尖峰持续时间比较短,测量精度相对不高。而对于IGBT的开通暂态下这些情况均不会存在,故实际情况下通常选择开通暂态来进行测量寄生电感,如图5(b)所示,其中集电极电流的上升产生了电流变化率diF/dt,同时由于换流通路中的杂散电感两端电压方向与开关管Vce两端电压方向相反,导致集-射极电压波形出现电压降ΔVce。

以图5(b)为例,其中,

由于实际IGBT模块是包括有辅助端子和无辅助端子两种,测试中包含的杂散电感也不太相同,在辅助端子测试出的寄生电感包括图6中的a+b+c部分;在主端子测试出的寄生电感包括图6中的a+c部分,不包含IGBT模块内部的杂散电感。


图6 IGBT模块寄生电感示意图

本文介绍了杂散电感的定义及测量方法。寄生电感的存在会IGBT增加关断损耗和关断电压尖峰,引起震荡等诸多问题,所以实际应用中还需要尽可能地减小回路杂散电感。

  • 分享到:

 

猜你喜欢

  • 主 题:IO-Link 技术介绍及相关设计解决方案
  • 时 间:2024.05.22 座谈回放
  • 公 司:ADI & Arrow