杂散电感对高效IGBT逆变器设计的影响

IGBT技术不能落后于应用要求。因此，英飞凌推出了最新一代的IGBT芯片以满足具体应用的需求。与目前逆变器设计应用功率或各自额定电流水平相关的开关速度和软度要求是推动这些不同型号器件优化的主要动力。这些型号包括具备快速开关特性的T4芯片、具备软开关特性的P4芯片和开关速度介于T4和P4之间的E4芯片。 在高效IGBT逆变器设计中，杂散电感是一个不容忽视的因素，它对设备的性能和损耗有显著影响。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是电力电子领域中关键的开关元件，用于控制电流流动。英飞凌科技推出的新一代IGBT芯片，如T4、P4和E4芯片，旨在满足不同应用对于开关速度和软开关特性的需求。 T4芯片以快速开关特性著称，适合需要高频率操作的应用；P4芯片侧重于软开关，降低开关过程中的能量损耗；而E4芯片则介于两者之间，提供平衡的开关性能。这些芯片的选择取决于逆变器的设计要求，如应用功率和额定电流水平。 表1概述了不同IGBT型号的适用电流范围，帮助设计师选择最适合的IGBT。在实际应用中，IGBT和二极管的动态损耗是关键考虑因素。图1展示了测试设置，用以研究不同芯片的反向恢复特性和动态损耗。 图2和图3分别展示了杂散电感对IGBT开通和关断损耗的影响。在开通阶段，较大的杂散电感可以减缓电流上升速度，降低导通损耗，但同时会延迟二极管的反向恢复电流峰值，增加开关事件第二阶段的损耗。然而，总体开通损耗依然降低，例如，损耗从40mW降至23.2mW。 在关断阶段（图3），小电感设置会导致较高的过压和损耗，而大电感设置虽然在初期阶段损耗较高，但随后的电流拖尾阶段损耗更低，因为电流下降更快。因此，二极管的损耗随着电感的增加而增加，尤其是在反向恢复峰值电流之后，更大的杂散电感会导致额外的损耗。 图5汇总了不同IGBT型号的开通、关断和二极管换流损耗与杂散电感的关系。总体来看，虽然杂散电感的增大在关断损耗方面带来一定不利影响，但其对开通损耗的降低更为显著，尤其是考虑到沟槽栅场截止IGBT的特性，其关断di/dt天然较低。 此外，杂散电感可能导致电流突变产生的振荡，这可能引起电磁干扰(EMI)问题或过电压限制，限制设备的稳定运行。因此，设计者必须在优化损耗和抑制振荡之间找到一个平衡点。 杂散电感对高效IGBT逆变器设计的影响复杂而微妙。它既可以通过降低导通损耗来提高效率，也可能增加关断损耗和二极管损耗，甚至引发潜在的稳定性问题。因此，精确的电感设计和优化的开关策略是实现高效、稳定运行的关键。设计师应根据具体应用需求，选择合适的IGBT芯片，并考虑如何有效地管理杂散电感，以实现最佳的系统性能。