【導讀】IGBT作zuo為wei一yi種zhong功gong率lv開kai關guan，從cong門men級ji信xin號hao到dao器qi件jian開kai關guan過guo程cheng需xu要yao一yi定ding反fan應ying時shi間jian，就jiu像xiang生sheng活huo中zhong開kai關guan門men太tai快kuai容rong易yi擠ji壓ya手shou一yi樣yang，過guo短duan的de開kai通tong脈mai衝chong可ke能neng會hui引yin起qi過guo高gao的de電dian壓ya尖jian峰feng或huo者zhe高gao頻pin震zhen蕩dang問wen題ti。這zhe種zhong現xian象xiang隨sui著zheIGBT被高頻PWM調製信號驅動時，時常會無奈發生，占空比越小越容易輸出窄脈衝
，且IGBT反並聯續流二極管FWD在硬開關續流時反向恢複特性也會變快。

什麼是窄脈衝現象

IGBT作zuo為wei一yi種zhong功gong率lv開kai關guan
，從cong門men級ji信xin號hao到dao器qi件jian開kai關guan過guo程cheng需xu要yao一yi定ding反fan應ying時shi間jian
，就jiu像xiang生sheng活huo中zhong開kai關guan門men太tai快kuai容rong易yi擠ji壓ya手shou一yi樣yang
，過guo短duan的de開kai通tong脈mai衝chong可ke能neng會hui引yin起qi過guo高gao的de電dian壓ya尖jian峰feng或huo者zhe高gao頻pin震zhen蕩dang問wen題ti。這zhe種zhong現xian象xiang隨sui著zheIGBT被高頻PWM調製信號驅動時，時常會無奈發生
，占空比越小越容易輸出窄脈衝，且IGBT反並聯續流二極管FWD在硬開關續流時反向恢複特性也會變快。以1700V/1000A IGBT4 E4來看
，規格書中在結溫T_vj.op=150℃時
，開關時間t_don=0.6us,t_r=0.12us和t_doff=1.3us, t_f=0.59us，窄脈衝寬度不能小於規格書開關時間之和。在實際應用中，由於負載特性的不同像光伏和儲能絕大數都時功率因數為+/-1，其窄脈衝會在靠近電流零點附近出現
，像無功發生器SVG，有源濾波APF功率因數為0，其窄脈衝會出現在最大負載電流附近
，實際應用中電流過零點附近更容易出現輸出波形上的高頻振蕩，EMI問題隨之而來。

窄脈衝現象的原因

從半導體基本原理上看
，窄脈衝現象產生的主要原因是由於IGBT 或FWD剛開始開通時

，不會立即充滿載流子，當在載流子擴散時關斷IGBT或二極管芯片，與載流子完全充滿後關斷相比，di/dt可能會增加。相應地在換流雜散電感下會產生更高的IGBT關斷過電壓
，也可能會引起二極管反向恢複電流突變
，進而引起snap-off現象。但該現象與IGBT和FWD芯片技術、器件電壓和電流都緊密相關。

先要從經典的雙脈衝示意圖出發
，下圖為IGBT門極驅動電壓、電流和電壓的開關邏輯，從IGBT的驅動邏輯看，可以分為窄脈衝關斷時間t_off
，實際是對應二極管FWD的正向導通時間t_on，其對反向恢複峰值電流、恢複速度都有很大影響
，如圖中A點
，反向恢複最大峰值功率不能超過FWD SOA的限製；和窄脈衝開通時間t_on，這個對IGBT關斷過程影響比較大，如圖中B點

，主要是IGBT關斷電壓尖峰和電流拖尾振蕩。

圖1.驅動雙脈衝

但dan太tai窄zhai脈mai衝chong器qi件jian開kai通tong關guan斷duan會hui引yin起qi什shen麼me問wen題ti呢ne

？實shi際ji應ying用yong中zhong那na最zui小xiao脈mai衝chong寬kuan度du限xian製zhi是shi多duo少shao比bi較jiao合he理li呢ne？這zhe些xie問wen題ti用yong理li論lun和he公gong式shi很hen難nan推tui導dao出chu萬wan能neng公gong式shi來lai直zhi接jie計ji算suan
，理li論lun分fen析xi和he研yan究jiu也ye比bi較jiao少shao。從cong實shi際ji測ce試shi波bo形xing和he結jie果guo來lai看kan圖tu說shuo話hua，分fen析xi和he總zong結jie應ying用yong的de特te點dian和he共gong性xing，更geng有you利li於yu幫bang助zhu大da家jia認ren識shi這zhe種zhong現xian象xiang，進jin而er優you化hua設she計ji避bi免mian問wen題ti出chu現xian。

IGBT窄脈衝開通

IGBT做為主動開關，用實際案例來看圖說話這個現象更有說服力，來點有料幹貨。

以大功率模塊IGBT4 PrimePACK™ FF1000R17IE4為測試對象，在V_ce=800V,I_c=500A,R_g=1.7Ω V_ge=+/-15V,T_a=25℃條件下t_on變化時器件關斷特性，紅色為集電極I_c
，藍色為IGBT兩端電壓V_ce，綠色為驅動電壓V_ge。脈衝t_on從2us減小到1.3us看這個電壓尖峰Vcep的變化，下圖直觀的給出測試波形漸進看變化過程，尤其圈中所示。

當t_on<=1.3us時，IGBT此時已經處於線性區

，沒有完全導通，此時開關損耗會很大
，關斷電流Ic出現突變引起大di/dt，IGBT關斷會出現高頻振蕩。

改變電流Ic，在Vce維度看看t_on引起的特性變化。左右圖為分別在相同Vce=800V
、1000V條件下
，不同電流Ic時電壓尖峰Vce_peak。從各自測試結果看，ton在小電流時，對電壓尖峰Vce_peak的影響比較小；當關斷電流增加話，窄脈衝關斷時容易出現電流突變，隨之引起高電壓尖峰。以左右圖為坐標對比，ton在當Vce和電流Ic越高時對關斷過程影響越大，更容易出現電流突變現象。從測試看這個例子FF1000R17IE4
，最小脈衝ton最為合理時間不要小於3us。

大電流模塊和小電流模塊在這個問題上表現有差異嗎？以FF450R12ME3中等功率模塊為例
，下圖為不同測試電流Ic在ton變化時候的電壓過衝。

類似結果，小電流條件低於1/10*Ic下ton對關斷電壓過衝影響可以忽略。當電流增加到額定電流450A，甚至2*Ic電流900A，電壓過衝隨ton寬度變化就非常明顯。為了測試極端條件下工況的特性表現，3倍額定電流為1350A，電壓尖峰已經超過阻斷電壓，被芯片嵌在一定電壓水平，與ton寬度無關。

下圖是在Vce=700V，Ic=900A時ton=1us和20us的對比測試波形。從實際測試看，該模塊脈衝寬度在ton=1us已經開始振蕩，電壓尖峰Vcep比ton=20us要高出80V。因此，建議不要最小脈衝時間不要小於1us。

FWD窄脈衝開通

FWD窄脈衝開通

在半橋電路中，IGBT關斷脈衝toff對應的就是FWD開通時間ton
，下圖可以看出當FWD開通時間小於2us時候
，在額定電流450A時，FWD反向電流峰值會增大。當toff大於2us時，FWD反向恢複峰值電流基本不變。

用IGBT5 PrimePACK™3+FF1800R17IP5來觀察大功率二極管特性，尤其小電流條件下隨ton變化，下麵一排展示在VR=900V,1200V條件下，在小電流IF=20A條件下兩個波形的直接對比，很明顯在ton=3us時候，示波器已經hold不住這個高頻振蕩的幅值。這也引證在大功率器件應用中負載電流過零點的高頻振蕩和FWD短時反向恢複過程有緊密關係。

直觀波形看完後
，用實際數據來進一步量化對比這個過程
，二極管的dv/dt和di/dt隨toff變化
，越小FWD導通時間，其反向特性會變快。當FWD兩端的VR越高時，隨著二極管導通脈衝變窄

，其二極管反向恢複速度會加快，具體看數據在ton=3us條件下：

VR=1200V時：

dv/dt=44.3kV/us
；di/dt=14kA/us；

VR=900V時：

dv/dt=32.1kV/us
；di/dt=12.9kA/us。

鑒於ton=3us時候，波形高頻振蕩更加劇烈， 並超出了二極管安全工作區，從二極管FWD角度看導通時間不要小於3us。

在高壓3.3kV IGBT以上規格書中已經對FWD正向導通時間ton進行了明確定義和需求，以2400A/3.3kV HE3為例如下，其已經明確給出最小二極管導通時間10us作為限製
，這主要是大功率應用中係統回路雜散電感比較大
，開關時間比較長
，在器件開通過程中瞬時容易超過二極管最大允許功耗PRQM。

從模塊實際測試波形和結果看，看圖說話有一些基本總結：

1. 脈衝寬度ton對IGBT關斷小電流（大約1/10*Ic）時影響較小，實際可以忽略。

2. IGBT關斷大電流時候對脈衝寬度ton有一定依賴性，ton越小電壓尖峰V越高

，且關斷電流拖尾會突變，發生高頻振蕩。

3. FWD特性隨導通時間變短其反向恢複過程會加速，越短FWD導通時間會引起很大dv/dt和di/dt，尤其小電流條件下。另外，高壓IGBT都給出明確最小二極管導通時間tonmin=10us。

在低壓IGBT應用中比較難對最小允許開通窄脈衝去定義和計算
，推薦精確地測量來調整去評估IGBT和FWD。文中的實際測試波形已經給出了一些參考最小時間，起到拋磚引玉的作用。

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