IGBT基本參數(shù)詳解

第一部分 IGBT模塊靜態(tài)參數(shù)1，VCES：集射極阻斷電壓在可使用的結溫范圍內，柵極和發(fā)射極短路狀況下，集射極最高電壓。手冊里一般為25下的數(shù)據(jù)，隨著結溫的降低，VCES會逐漸降低。由于模塊內外部的雜散電感，IGBT在關斷時VCES最容易超過限值。2，Ptot：最大允許功耗在25時，IGBT開關的最大允許功率損耗，即通過結到殼的熱阻所允許的最大耗散功率。Ptot=(TVj- TC)/Rthjc其中，TVj為結溫，TC為環(huán)境溫度。二極管的最大功耗可以用同樣的公式獲得。在這里，順便解釋下這幾個熱阻，Rthjc 結到殼的熱阻抗，乘以發(fā)熱量獲得結與殼的溫差；Rthja芯片熱源到周圍空氣的總熱阻抗，乘以發(fā)熱量獲得器件溫升；Rthjb芯片結與PCB間的熱阻抗，乘以單板散熱量獲得與單板的溫差。3，Ic nom 集電極直流電流在可以使用的結溫范圍流集射極的最大直流電流。根據(jù)最大耗散功率的定義，可以由最大耗散功率算出該值。所以給出一個額定電流，必須給出對應的結和外殼的溫度。 Ic nom = (TVj- TC)/(Rthjc*VCEsat)4，Icrm 可重復的集電極峰值電流規(guī)定的脈沖條件下，可重復的集電極峰值電流。5，RBSOA，反偏安全工作區(qū)IGBT關斷時的安全工作條件。如果工作期間的最大結溫不被超過，IGBT在規(guī)定的阻斷電壓下可以驅使兩倍的額定電流。6，ISC 短路電流短路時間不超過10us。請注意，在雙脈沖測試中，上管GE之間如果沒有短路或負偏壓，就很容易引起下管開通時，上管誤導通，從而導致短路。7，VCESat 集射極導通飽和電壓VCESat在額定電流條件下給出，Infineon的IGBT都具有正溫度效應，適宜于并聯(lián)。VCESat隨集電極電流增加而增加，隨著Vge增加而減小。VCESat可用于計算導通損耗。根據(jù)IGBT的傳輸特性，VCE= VT0+RCEICRCE= VCEIC計算時，切線的點盡量靠近工作點。對于SPWM方式，導通損耗由下式獲得，P= 12VT0*IP+RCE*IP4+m*cos*(VT0*IP8+13RCE*IP2)M為調制因數(shù)；IP為輸出峰值電流；cos為功率因數(shù)。第二部分 IGBT模塊動態(tài)參數(shù)1，RGINT模塊內部柵極電阻為了實現(xiàn)模塊內部芯片的均流，模塊內部集成了柵極電阻，該電阻值常被當成總的驅動電阻的一部分計算IGBT驅動器的峰值電流能力。2，RGext外部柵極電阻數(shù)據(jù)手冊中往往給出的是最小推薦值，可以通過以下電路實現(xiàn)不同的RGon 和RGoff。IGBT驅動器需達到的理論峰值計算如下，Ig peak = VGEon- VGEoffRGext+ RGINT最小的RGon由開通di/dt限制，最小的RGoff由關斷du/dt限制，柵極電阻太小容易導致震蕩甚至器件損壞。3，Cge外部柵極電阻高壓IGBT一般推薦Cge以降低柵極導通速度。4，IGBT寄生電容參數(shù)輸入電容Cies及反饋電容Cres（米勒電容）是衡量柵極驅動電路的根本要素，輸出電容COSS限制開關轉換過程的dv/dt，COSS造成的損耗一般可以忽略。Cies= CGE+CGCCres= CGCCOSS=CGC+CEC CGE隨著VCE變化近似為常量，而CCE隨著VCE增大而減小。接下來深度剖析一下米勒效應IGBT的輸入電容，Cies= CGE+CGC其中CGE由柵極和發(fā)射極之間絕緣介質決定，是恒定常數(shù)；CGC= Cox+Cdep，Cox為柵極、集電極電容，由柵極和基區(qū)之間絕緣介質決定，為常數(shù)；Cdep為耗盡層電容，與耗盡層寬度有關，決定于VCE。在開通過程中，集電極電壓VCE逐漸降低，耗盡層寬度降低，Cdep增大；當耗盡層消失，Cdep將變?yōu)闊o窮大，此時雖然VGE(on)為CGC充電，但CGE卻幾乎沒有電流（CGE屬于并聯(lián)大電阻），VGE變化很小，即為米勒效應。因為Cox、Cdep串聯(lián)，所以米勒電容CresCox。上述的Cres即為米勒電容，當IGBT在開關時，會由于寄生米勒電容而產(chǎn)生米勒平臺，即米勒效應。米勒效應在單電源門極驅動的應用中影響非常明顯，基于G、C間的耦合，IGBT關斷瞬間會產(chǎn)生很高的瞬態(tài)du/dt，從而引發(fā)VGE升高而導通。如下圖所示，當上管關斷時，產(chǎn)生du/dt加到下管的米勒電容上，就會產(chǎn)生較大的電流，這個電流流經(jīng)下管的驅動電路，使下管VGE升高導致下管誤導通。減緩米勒效應的辦法，（1）獨立的門極開通和關斷電阻通過減小RGoff可以抑制上述現(xiàn)象，但代價是可能引起震蕩和二極管擊穿。（2）通過在G、E間增加電容吸收米勒電容的電流，想想都不靠譜?。?）增加負向偏壓（顯然是一種很有效的方法，不解釋）。（4）有源鉗位（實際上就是短路）5，QG柵極充電電荷可用來優(yōu)化柵極驅動電路設計，驅動電流的平均值， IG= fc(Qg+ CiesVee)平均功率 Pd=Pd(on)+Pd(off)=fc(QgVcc+ CiesVee2)Pd=Qg*Vge*f= Cies*5*Vge2*f6，開關損耗這些參數(shù)強烈地依賴于柵極驅動電路、電路布局、柵極電阻、母線電壓和電流等。7，結溫、熱阻和溫升（1）結溫是處于電子設備中實際半導體芯片的溫度，通常高于外殼溫度和器件表面溫度，結溫可以用以下公式來估計，Tvj=TC+(Rthja*P) （2）熱阻，熱量在熱流路徑上遇到的阻力，表明1W熱量引起的溫升大小，單位/W，或k/W。用一個簡單的類比可以更好地解釋熱阻，熱量相當于電流，溫差相當于電壓，則熱阻相當于電阻。熱阻有如下公式成立，TCmax=Tvj-(Rthjc*P)上式是在假設散熱片足夠大且接觸良好的情況下成立的，否則還應寫成，TCmax=Tvj-(Rthjc+Rthcs+Rthsa)*PRthcs表示殼到散熱片的熱阻，Rthsa表示散熱片到周圍環(huán)境的熱阻，當散熱片面積足夠大時可以認為其與環(huán)境之間的熱阻為0，溫度一樣。參照以下例子使用熱阻，IHW40N120R3數(shù)據(jù)手冊中給出25下耗散功率429W，而Rthjc=0.35K/W，Tvj=429*0.35+25175（3）瞬態(tài)熱阻抗zth與熱阻Rth熱阻描述了IGBT在穩(wěn)定狀態(tài)下的熱行為，而熱阻抗描述了IGBT瞬態(tài)或者短脈沖下的熱行為。大部分IGBT實際應用是以一定的占空比進行開關動作，這種條件下，需要熱阻加熱容的方法描述其等效電路。以一定占空比（D）的連續(xù)脈沖工作狀態(tài)下的瞬態(tài)熱阻，Sthjc(t)為單個脈沖瞬態(tài)熱阻。zthjct=Rthjc1-e-t =RthjcCthjc ztht=RthjcD+1-DSthjc(t) Ci= iRi第三部分 靜態(tài)特性1，靜態(tài)直流特性（1）阻斷特性（blocking capability） 這個特性用以下兩個參數(shù)進行表示，VBRces 集射極擊穿電壓 和 Ices漏電流，但因為測試漏電流更加安全，所以常常測試漏電流來表征該特性。（2）輸出特性（transfer characteristics）采用curve tracer進行測試。（3）通態(tài)電阻 （on-state resistance）從輸出特性曲線上進行讀取，如下圖所示，為給定電流Ic和給定電壓Vce下的電阻。（4）體二極管的傳輸特