288 750V耐压用的igbt，可用最高电压与哪些有关？

神行问答288：

750V耐压用的igbt，可用最高工作电压与哪些有关，如何优化提升可用工作电压？一般直流电压最高450V左右，是否可以提高到500V？

参考答案1：

不能简单从450V提升到500V，需要进行测算。如果正常最大450V，工作电压系统来说，要考虑测量系统误差：20V，Torque ripple 误差：30V，载荷冲击：50-70V，开关电压过载： 100-120V，偏离gap：35V，大概600-725V。500V相应的增加了50V，需要的能力范围大概 650V-775V，还是有风险的，有能力的话对每一项做一下测算。

这个问题不能从热老化考虑，应该是高压过载能力的考核，不是热耐久，就像设计机械强度一样，一次损伤和累积损伤类似，要留有安全余量，一旦穿透了就是损坏了，而不是慢慢老化，冷却是热老化相关的，最好仔细核算一下以上各方面的冲击电压，和IGBT厂家确认好能力。

优化项目就是下图这些项目，负载比较基本，不能优化，可以考虑缓存dumper之类的。

650V igbt可以用到450。750V igbt要看系统的能力和各杂项的能力需求，需要问询厂家和自己研发相关的项目。如果电机的扭矩和变速器的波动比较低 负载的缓冲比较好，开关电压没那么高，测量更准确，其他杂项控制比较好 ，完全可以满足 500V。

参考答案提供者：AVL-尹晓飞

参考答案2：

主要与电压应力相关，功率回路设计的好的话，Ls小，自然电压应力小一点。另外也与驱动保护电路相关。直通短路时电压应力是否超750V，能否可靠保护，相间短路时能否靠OC及时保护而不超750V。这些都是考虑的因素。电压高了后损耗也会相应增加一些，也需要关注结温，一般一定电压后会降功率。

驱动和保护做得好是可以到500V的。现在乘用车很多车型的最高电压都到了470/480的样子。也是选择750V的IGBT。

优化也从驱动保护设计，主功率回路设计，有源钳位降低应力等几个方面去解决。

参考答案提供者：阳光电源-贾星辰

参考答案3：

这个问题比较复杂，短的篇幅也很难摊开了讲清楚，尝试着用几页的篇幅从原理和一个实际工程案例出发，对上述问题进行回答。

1、影响母线电压选择的主要因素

图 1 三相全控桥式变流器+阻感负载（电机）

对于图 1 所示的三相全控桥式变流器+阻感负载（电机）的拓扑，三相共 6 支 IGBT，在稳态下每个 IGBT 的 CE 之间最大承受的电压 VCE 为母线电压 Udc，在开通关断过程中，IGBT实际承受的电压为上述稳态电压叠加一个瞬时的峰值电压，由于 IGBT 的最大阻断电压 VCES没有裕量，超过了一定会过压损坏，所以实际承受的电压为上述稳态电压叠加一个瞬时的峰值电压，由于IGBT 的最大阻断电压 VCES没有裕量，超过了一定会过压损坏，所以实际选择母线电压时要在 IGBT 给出的最大阻断电压 VCES基础上留出足够的裕量。将上述过程用式子表示为，

VCE=Udc +Vpp＜VCES （1）

式（1）中，VCES 由 IGBT 的 datasheet 可以查询，在 IGBT 安全工作的前提下，如果要确定母线电压 Udc，必须知道 Vpp 。而 Vpp 的产生与 IGBT 动态换流过程有关，其数值与变流器主回路（主要是杂散电感 ESL、主电容电容容值）、母线电压、流过 IGBT 的电流等都有关系，尤其是主回路设计不同，导致 ESL 相差很大，对应的 Vpp 会有几倍的差值。好的主回路设计方案下，Vpp 可以控制的较为合理，满足式（1）时可以选择相对较高的母线电压，反之，则只能选择较低的母线电压来保障 IGBT 的电压安全。

下面将以图 1 中 a 相上管 IGBT 为例结合换流过程对 IGBT 承受的稳态及动态电压情况进行说明。

产生 Vpp 的机理：Vpp的产生主要与 IGBT 的关断过程有关。A 相上管的 IGBT 关断后，集电极电流 ic 迅速下降。此时 dic/dt 为负值，将在负载电感 Ls 上产生过电压，使下管 IGBT的反并联续流二极管正偏，流过负载的电流由上管 IGBT 转移到下管的二极管续流回路。此外，负的 dic/dt 引起的杂散电感Lσ的压降为uσ= Lσ × dic/dt ，电压uσ加在 IGBT 两端使 IGBT电压 VCE出现瞬时的关断过电压 Vpp，如图 2 所示。

在主回路不变的情况下，Vpp 还受到关断时刻 IGBT 集电极电流iC 的影响，iC 越大，则Vpp 越高，所以，一般评估 Vpp 都是在最大的工作电流下做的。

图 2 关断过程波形(VGE，VCE)

需要注意的是，在 IGBT 短路时集电极电流 iC会远大于上述评估时的最大工作电流，关断短路电流的 di/dt 会更高，因此短路时电压尖峰 Vpp 会更高。所以有可能出现，驱动器发现了 IGBT 的短路现象，并且也及时关断，但是由于 dic/dt 太高，产生了非常高的电压尖峰，在短路保护发挥了作用，有效的关断该短路电流后仍然可以击穿 IGBT。

总结： IGBT 的 VCE 电压尖峰，它是主回路杂散电感与 dic/dt的乘积，通过观察这个尖峰，可以评估 IGBT 在关断时的安全程度。Vce 尖峰一般都客观存在，在短路或者过载时，这个尖峰会达到最高值，比正常工作时要高得多，通过优化主回路设计（低感叠层母排、主电容、IGBT摆放方案、增加吸收电容等）或者使用有源钳位电路(Active Clamping) ，可以对上述尖峰电压进行抑制，但是无法完全消除。

考虑到主回路设计水平不同，工作电流不同，为了保证电压安全，一般工程中采用的经验公式为： VCES=1.7Udc～2Udc。

比如，英飞凌的 HP1 模块手册中关于该款模块适用的母线电压如图 3 所示。

图 3 英飞凌推荐的 HP1 模块直流电压

2、工程实例

下面以使用英飞凌 PrimePack2 的一款 1200A/1700V 模块的变流器为例，对如何选择变流器的母线电压进行说明。

该型 IGBT 模块核心参数为：

最大阻断电压 VCES=1700V；集电极标称电流 iC=1200A；

最大短路电流承受能力：4200A@TVj=175℃，tP ≤10 μs。

图 4 PrimePack2 模块关键参数

VCE的评估一般都是基于双脉冲实验进行的。

选择的母线电压为 1000V，分别给出了额定电流及短路电流下的动态过程。

1）额定电流下的正常换流

变流器的额定电流峰值为 1000A，当流过 IGBT 模块集电极的最大电流 iC=1000A 时关断 IGBT，关断过程的双脉冲实验波形如下图 5 所示。关断后 Vpp=220V，关断动态过程结束后VCE=1000V(母线电压)。关断动态过程中 VCE=1220V<1700V，系统电压安全。

图 5 额定电流下正常的关断过程中 VCE 波形

2）短路保护时关断过程

人为制造一个 10μS 的直通短路故障，触发驱动的短路保护，保护前后的波形如图6 所示。保护起作用封脉冲使得 IGBT 关断后，Vpp=320V，关断动态过程结束后VCE=1000V(母线电压)。可以看出，短路电流较大，在短路时关断 IGBT 会产生更大的VCE 尖峰，关断动态过程中 VCE=1320V<1700V，系统电压安全。

图 6 上下桥臂直通触发短路保护后 VCE 波形

结论：

针对工程案例的情况，母线电压取Udc=VCES/1.7=1000V，额定电流以及短路电流关断IGBT 瞬间造成的 VCE都在模块的承受范围之内并留有 300 多伏的裕量，所以系统是安全的。

进一步讲，由于案例中的变流器的主回路经过了优化设计，杂感 ESL 较小（大约 50nH），换流动态过程中 VCE 的尖峰被控制在一个较小的范围内，因此，理论上该案例中母线电压可以继续提升，但是考虑到双脉冲实验较实际的电机负载实验更为理想一些，所以电机负载时 VCE的尖峰有可能会更大。

如果实际需要，母线电压与模块的 VCES 的下述式（2）关系不能满足，则需要在主回路设计、驱动电路设计（比如有源钳位电路保护电路）多下功夫，产品设计出来实验进行驱动电路考核时尤其是要进行短路保护试验，保证触发短路保护后 VCE 不会超限。

Udc ≤ 1/（1.7 ～ 2）VCES （2）

除非有特殊要求，电压的裕量强烈建议留足，因为过压不像过流，短时的过流如果 Tj 温度控制好的话不会坏管，但是 VCE 过压和 IGBT 损坏之间是个必然因果关系，不需要其他任何的前提条件，所以选择母线电压要慎重。

参考答案提供者：中科院电工所-张剑