降低動態(tài)功耗需要快速地開關(guān)功率半導體,。一個典型的系統(tǒng)包括幾十個并聯(lián)的功率半導體,，這些功率半導體在上千伏直流母線上開關(guān)著數(shù)千安培的電流,。由此產(chǎn)生的功耗對應(yīng)用工程師來說特別具有挑戰(zhàn)性,，工程師們努力保持開關(guān)時間盡可能的短,。但這說起來容易做起來難,。
應(yīng)用工程師要求更高的開關(guān)速度,，同時降低動態(tài)損耗。這是因為需要以最小的PWM頻率以得到一個最近似的正弦輸出信號,。更高的時鐘頻率減少了驅(qū)動系統(tǒng)中由諧波導致的損耗和機械應(yīng)力,。而最新一代的快速開關(guān)IGBT開啟了各種可能性。但是,，不利的一面是它們也帶來了問題,，就是對關(guān)斷電壓峰值有特別強烈的影響。
高效的關(guān)斷控制
這項需求是明確的：功率半導體快速關(guān)斷,。然而,，這本身也存在問題：除了更大的EMC干擾，關(guān)斷的過程中功率半導體上會產(chǎn)生危險的電壓尖峰,。如果超出了允許的最大阻斷電壓,，功率半導體可能被破壞，通常會造成短路,。圖1顯示了一個在直流母線電壓和交流輸出端子之間帶有短路電感LB的半橋,。在這個例子中，晶體管T2導通時將會導致電流IZK（UCE可以忽略不計）持續(xù)上升（回路I）：
在關(guān)斷期間（回路II）,，IZK必須在IGBT關(guān)斷時間內(nèi)降為零,。存儲在LZK內(nèi)的磁場試圖保持電流IZK，如果該電流是由吸收電容CZK吸收,，這是可能實現(xiàn)的,。由于該組合是一個諧振電路[3]，會產(chǎn)生一個與諧振頻率與LZK, CZK 和 RZK相對應(yīng)的衰減正弦波疊加：
儲存在電感LZK的電磁能向吸收電容充電,，吸收電容電壓達到UZK+Â by t=π/2,。
圖1：直流母線和帶短路電感 LB（簡化的）的半橋
與此同時，通過短路電感LB的正向電流流過二極管D1,。此外,，由于該電流的影響和二極管的正向恢復（圖3），產(chǎn)生了一個附加電壓分量,。
在開關(guān)操作后,，還必須觀察代表開路的電流分支部分。由于di/dt的存在,，歸總在LModule中的寄生電感確保電壓峰值高并且也被疊加,。
圖3：不同di/dt時的功率二極管正向恢復時間
電壓曲線uCE
關(guān)斷期間晶體管T2上的電壓曲線UCE（圖2）包括三個部分：
1)恒定的直流母線電壓UZK
2)LModule上的較大的di/dt導致的關(guān)斷期間的電壓曲線 uModule和續(xù)流二極管D1上的較大的di/dt,。
3)吸收電容和直流母線電感之間的振蕩，是由它們的諧振和LZK里所儲存的能量導致的（吸收電容上的寄生電感LSn及其引線導致一個幅值略高的T=π/2的正弦波,，因為它在關(guān)斷時間仍未被放電）,。
圖2：T2時刻的電壓uCE和電流iC
不同的部分應(yīng)以真正的UCE曲線為基礎(chǔ)來定義。這里,，在關(guān)斷過程開始的時刻uZK是從零開始,，因為吸收電容的電壓仍然與直流母線電壓同等級，寄生電感LZK的能量轉(zhuǎn)移在這一刻才剛剛開始,。
模塊寄生電感所導致的電壓和二極管的正向恢復時間是di/dt的函數(shù),，耦合到T2時刻的關(guān)斷行為中。唯一可被影響的di/dt參數(shù)是開關(guān)時間,，因為電流量被定義為與負載相關(guān),。一旦關(guān)斷過程完成，該電壓部分將再次消失,。只有在直流母線電路的擺動瞬態(tài)仍然可以看的到,。
直流母線電路的影響
為了盡量減少直流母線寄生電感引起的電壓尖峰，吸收電容直接安裝在模塊上[4],。關(guān)斷期間電壓曲線uZK可用一個呈指數(shù)衰減的正弦波來建模：
包絡(luò)線的幅值Â是直流母線電路在臨近T2關(guān)斷時刻之前所提供的電流以及直流母線電壓恒定分量的函數(shù),。開始階段儲存在寄生直流母線電感LZK中的電磁能周期性地來回在吸收電容CZK上擺動（直流母線電容器的有效電容與CZK相比足夠大，因此忽略不計）并且（因為RZK上的損耗）強度不斷減小,。在t=π/ 2時刻,，當LZK的整個能量 WL出現(xiàn)在CZK中，幅值Â可確定如下（其中WC代表存儲在CZK中的能量）：
圖4顯示了t=π/2時正弦波的幅值略高,。這是由于LSn（但在公式中被忽略了）的影響,。
圖4：基于uCE和iC計算出的uZK和uModul曲線
模塊的影響
在功率模塊自身，條件是不同,。這里,，為了空間和操作安全性（高溫）的原因，沒有安裝吸收電容,。因此,，模塊固有的寄生電感，如母排,、DBC布局和綁定線上的電感,，必須通過適當?shù)脑O(shè)計措施來最小化。此外,，關(guān)斷電壓尖峰只能通過合適的開關(guān)時間調(diào)制方式來改變,，因為該值取決于di/dt：
上述公式中包括作為附加元件的二極管電壓UD1。該電壓也表示正向恢復時間電壓[1]，出現(xiàn)在具有大di/dt的大電流注入正向工作二極管時,，即帶有感性負載續(xù)流的情況,。圖3顯示了功率二極管的電壓曲線（對于不同的注入電流值）,，約10-20ns后電壓達到最大值,，然后下降到正常的正向電壓。最高電壓可以高達幾百伏,。
使用示例曲線定義參數(shù)
圖2中曲線的目的是展示如何定義的關(guān)鍵特征值,。示例曲線指的是一個擁有200V直流母線電壓的電路、一個0.68μF吸收電容和一個350µH短路電感的小實驗裝置,。
直流母線共享分析
為了給選定的直流母線電壓定義時間常數(shù)τ,，從曲線上選取了兩個有意義的測量點：
對于串聯(lián)諧振電路（RZK，LZK和吸收電容CZK在一個回路中）,，直流母線的寄生電感,，可通過諧振條件的給定頻率（fR =763.5 kHz）計算得到：
磁損耗電阻的計算公式如下：
因此，該系列諧振電路的品質(zhì)因數(shù)為：
定義ω,、τ,、UZK和幅值Â更為簡潔和精確的方法是使用數(shù)值數(shù)據(jù)處理和可視化工具xmgrace[2]。在這一點上,，下面的公式適合電壓峰值和經(jīng)過多次振蕩后之間的區(qū)域：
y = a0 + a1 * sin(a2*g0.s1.x-a3) * exp(-(g0.s1.x-a3)/a4)
經(jīng)過20次非線性擬合迭代后的參數(shù)結(jié)果見表1,。
表1：擬合結(jié)果
結(jié)果曲線如圖4所示。
分析模塊共享
過電壓的模塊共享可按照兩個步驟進行處理：首先通過對集電極電流曲線IC微分（例如用xmgrace）,。然后進行縮放以將新曲線相應(yīng)地插入到第一個UCE電壓峰值,。在這里，（負）的縮放因子被發(fā)現(xiàn)與模塊的寄生電感不對應(yīng),，因此應(yīng)該考慮到二極管的影響,。這就是引入術(shù)語虛構(gòu)模塊電感LModule,fict.的原因：
(計算得到的, 虛擬值！)
事實上,，電壓曲線uModule不僅取決于半導體的開關(guān)行為和模塊的寄生電感,，也取決于二極管的正向恢復。出于這個原因,，LModule,fict必須以二極管的正向恢復為基礎(chǔ)來進行修正,。總的電壓增加中正向回復所占的最大份額應(yīng)以最大的di/dt （圖3）為基礎(chǔ)進行估算：在10kA/μs以下,，所使用的標準功率二極管的正向恢復電壓Ufr,max可由下式相當精確地近似得出：
對于本例中的di/dt=1.3kA/µs,，該電壓值約為20.5V。因此,，由于是感性分量,，過電壓下降到約70V，測試模塊自身的電感下降到49.8nH（計算值）。
兩條曲線的重疊（圖4）帶來最初計算得到的uce,，從t=0時刻起適用,。例如，現(xiàn)在可以很容易地確定替代吸收電容的特性,。
危險行為
加上吸收電容,，直流母線就像一個諧振頻率為fRes,ZK的諧振電路。因此,，可能會產(chǎn)生臨界狀態(tài),。例如，如果開關(guān)頻率是f0的偶次因數(shù),，就會出現(xiàn)臨界現(xiàn)象,。在這種情況下，如果諧振電路的品質(zhì)因數(shù)足夠好,，在下一個開關(guān)操作中注入到吸收電容中的能量是同相的,。這可能會在短短的幾個時鐘脈沖之后導致臨界的過電壓。由于測試模塊相對較差的質(zhì)量,，可以預(yù)計當開關(guān)頻率為30kHz或以上時該影響會顯現(xiàn),。
此外，各種直流母線電路和/或模塊之間糟糕連接也可能導致不希望的激勵,，這種情況應(yīng)該在每個案例中進行檢查,。
總結(jié)
關(guān)斷過程中uce-和iC測量分析說明了直流母線寄生電感和模塊電感之間的相互作用。這使得在給定的應(yīng)用中非常容易分析出的薄弱環(huán)節(jié)并在模擬中發(fā)現(xiàn)最大的潛力,。
可以看出,，單純改變關(guān)斷速度只能降低模塊所產(chǎn)生的過電壓尖峰。直流母線電路中的過電壓主要是電流等級的函數(shù),，只能通過降低di/dt略微減小,。
關(guān)斷過程的形式化描述揭示了選擇合適的開關(guān)速度、吸收電容和模塊設(shè)計時的可能性和限制,。措施均衡結(jié)合是優(yōu)化成本提高可靠性的一個好方法 - 直接在電腦上進行,，無需復雜的測試。
參考文獻
[1] Josef Lutz: Halbleiter-Leistungsbauelemente, Springer-Verlag 2006
[2] Weizmann Institute of Science: grace / xmgrace
[3] Steinbuch, Rupprecht: Nachrichtentechnik, Bd1: Schaltungstechnik, Springer-Verlag 1982
[4] Application Note AN7006: IGBT Peak Voltage Measurement and Snubber Capacitors Specification