IGBT Half-Bridge Power Switching Analysis Based on a Semi-analytical Point of View

Abstract

RESUMEN: En este trabajo se desarrolla una investigación semi-analítica en una topología de convertidor de medio puente de IGBT considerando carga constante. Se desarrolla un modelo analítico para las perdidas en el encendido. El comportamiento del diodo en recuperación inversa y su influencia en las pérdidas de potencia y el encendido del semiconductor opuesto son tratados bajo una consideración paramétrica. Para describir analíticamente las formas de onda en conmutación para un semiconductor dado se consideran la inductancia parásita, las capacitancias y conductancias del diodo, las capacitancias del IGBT, el tiempo de almacenamiento y otros factores, el enfoque general del trabajo permitiría aplicar los resultados a cualquier otro tipo de semiconductor tipo MOS. El comportamiento en el apagado y las pérdidas se investigación mediante un modelo de regresión. Los datos de distintas corridas por simulación, basados en el modelo físico del semiconductor, se utilizan para hallar las pérdidas de potencia en el apagado del IGBT. Un análisis estadístico se lleva a cabo para encontrar un polinomio apropiado que se ajuste a los datos.

De igual manera, para describir una herramienta de verificación experimental del modelo desarrollado, se lleva a cabo medición indirecta de corriente. Esto en virtud de la necesidad de medir corriente de alta frecuencia con alta precisión. El circuito de aplicación es una carga inductiva con diodo paralelo. Se emplea un procesamiento digital de los datos de medición de voltaje a través de un alambre que se usa como señal de entrada para obtener la corriente a través de un semiconductor puesto en serie.

ABSTRACT: In this work a semi-analytical investigation is performed on a two level IGBT half-bridge topology under the assumption of constant current load. An analytical model is developed for turn on losses. Diode reverse recovery behaviour and its influence on power losses and turn on switching of opposite semiconductor are investigated upon a parametric consideration. Stray inductance, diode capacitances and conductances, IGBT capacitances, storage time and other factors are considered in order to analytically describe switching waveforms for a given semiconductor, but in a general frame that could be applied upon any other MOS type semiconductor. Turn off behaviour and losses are investigated upon a regression model. Data of simulation runs based on physical model of semiconductor are used in order to find turn off losses of IGBT. A statistical analysis is performed in order to encounter appropriate polynomial fitting of data.

Also, in order to describe an experimental verification tool for models developed, an indirect current measurement is performed. This is because transient behaviour of current is needed to be measured with high accuracy. The application circuit is a diode clamped-inductive. It is employed a digital data processing in which voltage across a wire is used as processed input data to obtain current through a series connected semiconductor.