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(多图) 带反并联二极管IGBT中的二极管设计

来源:电子设计应用/作者:英飞凌科技Wolfgang Frank Holger Hüsken?? 2007年01月08日 ?? 收藏0

?????? 这意味着,尽管优化型二极管可能因为更小的芯片尺寸而获得更高的RthJC,但这不影响IGBT与二极管结合的性能,因为总体功耗 降低了。与EmCon2技术相比,采用EmCon3技术的全新反并联二极管具有较高的正向压降、改进的反向恢复特性以及更低的开关损耗。

二极管优化的损耗平衡(RthHS = 4.2 K/W,TA = 50℃, cosΦ= 0.7)
图4? 二极管优化的损耗平衡(RthHS = 4.2 K/W,TA = 50℃, cosΦ= 0.7)

?????? 该结论与大多数人的理解——用于驱动应用的二极管必须针对低导通损耗进行优化-相矛盾。特别是在家电驱动中,如变频洗衣机,低开关损耗同样至关重要。因为在那些应用中,开关频率可以达到15 kHz或更高。在这种情况下,开关损耗将构成驱动中整体损耗的很大一部分,绝不能被忽视。这种优化为多种应用打开了大门——不仅在驱动市场,还有所谓的“高速”领域。

TrenchStop
图5? TrenchStop-IGBT采用Vf优化型二极管(左条形图)以及采用最终设计二极管(右条形图)时的开关损耗

?????? EMCON3与EMCON2技术的基准

?????? 两种带二极管的IG

BT的单位安培功率损耗平衡情况如图4所示。左条形图显示的是最新推出的EmCon3技术与TrenchStop-IGBT(IGBT3技术)结合的结果。如上所述, EmCon3技术是针对更低开关损耗以及稍高正向压降进行优化的。右条形图显示的是EmCon2技术与TrenchStop-IGBT结合的结果。本基准中使用的EmCon2二极管是英飞凌Fast-IGBT系列中的反并联二极管。该二极管针对低正向压降进行了优化。在图4中使用的是IGP10N60T, 热阻RthHS =4.2 K/W的散热器, 环境温度TA = 50℃, 使结温升高至125℃左右。开关频率fP为16 kHz,证明了IGP10N60T和EmCon3技术结合的性能。从图5中可以看出,正如预期的那样,IGBT导通损耗根本不受二极管影响。Vf优化型二极管的Qrr提高对IGBT的动态损耗PvsI和二极管的动态损耗PvsD有很大影响。两种影响合在一起:二极管本身动态损耗的提高及其对IGBT的影响,超越了Vf优化型二极管导通期间的优势。该特性在开关频率为5 kHz 左右时已经非常明显,开关频率越高影响越大。

 用于温度计算的热等效电路
图6 用于温度计算的热等效电路

?????? 当然,针对具体硬件电路设计确定损耗平衡的各个部分并非易事。通常,工程师在外壳或导线框上测量温度。两个二极管的热阻RthJC被认为是一样的。结合系统的热等效电路如图6所示。恒定环境温度形成共同的外壳温度TC,该温度由散热器热阻以及IGBT和二极管的损耗总量决定。因此,二极管和IGBT不同的结对壳热阻RthJCD 和RthJCI可导致不同的结温TJD和 TJI。

?????? 两种结合系统形成的结温如图7所示。结温接近125°C,与IGP10N60T和Vf优化型EmCon2二极管结合相比,IGP10N60T与Qrr优化型EmCon3二极管结合实现了更低的结温。在左侧条形图中,二极管和IGBT的温度要低4K,IGBT的功率损耗低0.7 W ,二极管低0.2 W。由于IGBT的RthJC更低,IGBT更大的损耗减小对结温的影响比二极管相对更少的损耗减小产生的影响要小。因此温度差是一样的。

两种结合系统形成的结温
图7? 两种结合系统形成的结温

?????? 当然,损耗降低也被较小的RthJC牺牲了一部分。但是计算显示,在环境温度TA为50℃ 时,与10A-IGBT IGP10N60T结合时,最终二极管的结温大约低了4 ℃。还可以看出,IGBT的结温也低了4℃。因此,该系统总体上从所选的二极管优化方法中获益。如果达到与最终二极管一样的结温,可以从逆变器中获得更高电流,从而获得更高的功率输出,如图8所示。另一方面,在给定输出电流下,甚至可以削减散热器尺寸,从而降低驱动装置的成本。不管设计师用哪种方法,系统将实现更高的效率。

逆变器中一个半桥的输出有效值电流
图8? 逆变器中一个半桥的输出有效值电流


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带反并联? 二极管? IGBT?

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