Effect of Gate-Emitter Capacitance on IGBT’s Switching Energy

Abstract

Insinöörityön tavoitteena oli selvittää, kuinka IGBT:n hila-emitterikapasitanssi vaikuttaa sen puolijohteen kytkentähäviöihin, sillä IGBT-valmistajat eivät yleensä ilmoita tätä datalehdissänsä. Kytkentäenergioita tutkittiin tuplapulssitestauksella. Kahta eri saman virtaluokituksen IGBT-moduulinäytettä tutkittiin työn aikana. Ensimmäiselle näytteelle tehtiin laajamittainen tuplapulssitestaus, jotta vaikutukset kyettäisiin dokumentoimaan laajasti. Toiselle näytteelle toistettiin vertailevat mittaukset, jotta ensimmäisen näytteen tuloksia voisi vertailla johonkin. Insinöörityö tehtiin ABB Oy:lle Helsingissä.

Tuplapulssitestin tulokset viittasivat hila-emitterikapasitanssin vaikuttavan päällekytkennän kytkentähäviöihin hilavastuksen kaltaisesti. Tämä hidasti päällekytkentäaikaa ja kollektori-emitteri jännitteen laskuaikaa. Mittaustulosten perusteella hila-emitterikapasitanssi ei vaikuta merkittävästi poiskytkennän häviöihin. Hila-emitterikapasitanssi vaikutti mittatulosten perusteella vähentävän diodin palautumisenergioita. Diodin palautuessa maksimivirtapiikki pieneni hilaemitterikapasitanssin noustessa. Vaikutus energioihin oli lineaarista. Näytteiden tuplapulssitestien tulosten vertailu osoitti, että hila-emitterikapasitanssin vaikutus olisi IGBT-moduulille yksilöllistä. Tämän seurauksena IGBT-moduulille olisi hyödyllistä määrittää tuplapulssitestillä kulmakerroin hila-emitteri kapasitanssin vaikutuksesta, jolla voidaan arvioida kytkentähäviöt.

Jatkokehityskohteena on määrittää, mitkä ovat hilaresistanssin ja kollektorivirran vaikutukset kytkentäenergioihin hila-emitterikapasitanssin kanssa. Nämä korrelaatiot eivät selviä tässä työssä.

The purpose of this thesis study was to determine the effects of gate-emitter capacitance on IGBT’s switching losses, as this is not usually taken into account in IGBT manufacturers datasheets. The effects were observed by double pulse testing. Two different IGBT modules were studied in this thesis study. First sample was studied more thoroughly with higher number of double pulse testing test cases to verify double pulse tests results and to determine the effects of gate-emitter capacitance. The second sample was tested with only enough test cases to compare the results to the first samples results. This thesis study was carried out for ABB Oy, Drives in Helsinki.

The results of double pulse testing indicated that the gate-emitter capacitance affected switching-on losses similar to the effect of gate resistance, slowing down the turn on time and reducing the fall time of collector-emitter voltage. The measurements indicated that gate-emitter capacitance has little to no effect on switching-off losses. The reverse recover energy measurements indicated that the gate-emitter capacitance decreased the losses due lowering the reverse current peak. The effects on each losses were observed to be linear. Comparing the two samples’ results indicated that the effects of gate-emitter capacitances are unique to IGBT module and should be verified for separate modules to determine the linear coefficient for modules.

For continuation of studying the effects of gate-emitter capacitance on IGBT switching losses, the effects should be studied in combination with the losses caused by collector current and gate resistance, as these results are inconclusive when considering the done test cases for this thesis study.