IGBT單管數據手冊參數解析——下

IGBT是大家常用的開(kāi)關(guān)功率器件，本文基于英飛凌單管IGBT的數據手冊，對手冊中的一些關(guān)鍵參數和圖表進(jìn)行解釋說(shuō)明，用戶(hù)可以了解各參數的背景信息，以便合理地使用IGBT。

在上篇《IGBT單管數據手冊參數解析——上》中，我們介紹了IGBT的命名、最大額定值及靜態(tài)參數。今天我們介紹動(dòng)態(tài)特性、開(kāi)關(guān)特性及其它參數。

4.動(dòng)態(tài)特性

●   輸入電容，輸出電容和反向傳輸電容C_ies，C_oes和C_res

輸入電容C_ies，是C_res同C_GE之和，是設計驅動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵參數。它在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期進(jìn)行充電和放電，它定義了柵極驅動(dòng)損耗。另一方面，C_GE減少了在半橋拓撲中由于電流流過(guò)電容C_res而導致的寄生導通的風(fēng)險。

輸出電容C_oes，是C_res同C_CE之和。它對EMI有很大的影響，它影響集電極-發(fā)射極的dV/dt。

反向傳輸電容C_res，也稱(chēng)為米勒電容，它決定了IGBT開(kāi)關(guān)時(shí)電流和電壓之間的交叉時(shí)間，影響著(zhù)開(kāi)關(guān)損耗。C_res/C_GE對集電極-發(fā)射極的dV/dt和V_GE之間的耦合效應有很大影響，降低該比率可實(shí)現快速開(kāi)關(guān)能力，并避免器件不必要的寄生導通。

●   柵極電荷Q_G

柵極電荷描述了驅動(dòng)柵極電壓V_GE到一定值（通常是15V）所需的電荷量。它是驅動(dòng)損耗的主要因素，并影響到整個(gè)驅動(dòng)電路的設計。驅動(dòng)損耗可以通過(guò)以下公式得出。

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上圖顯示了典型的柵極電荷曲線(xiàn)，從曲線(xiàn)中可以得到驅動(dòng)V_GE到某一數值所需的Q_G值。Q_G是負載電流和集電極-發(fā)射極電壓的一個(gè)函數。通常情況下，它是針對I_C的額定值和不同的V_CE值繪制的。

●   內部發(fā)射極電感L_E

L_E是總換流回路電感的一部分，它通常同關(guān)斷電壓過(guò)沖和開(kāi)關(guān)損耗有關(guān)。因此，該值需要盡量的小，特別是對于在高開(kāi)關(guān)頻率下運行的IGBT。

注意：內部發(fā)射極電感上的電壓降無(wú)法從外部測量，但在考慮最大關(guān)斷電壓過(guò)沖時(shí)，需要考慮這部分電壓。

5.開(kāi)關(guān)特性

開(kāi)關(guān)性能在很大程度上取決于幾個(gè)因素，例如：集電極電流、集電極-發(fā)射極電壓、溫度、外部柵極電阻以及電路板設計和寄生參數，特別是電感和電容。因此，在不同制造商的零件之間根據數據手冊的數值進(jìn)行直接比較可能不是一個(gè)正確的比較。因此，強烈建議通過(guò)應用測試和適當的表征來(lái)評估這些器件。

下述這些參數通常根據國際標準的定義進(jìn)行測量和評估，如JEDEC或IEC60747-（2007）。

t_(d)on：從V_GE的10%到I_C的10%

t_r：從I_C的10%到I_C的90%

t_(d)off：從V_GE的90%到I_C的90%

t_f：從I_C的90%到I_C的10%

其中V_GE是柵極電壓，I_C是集電極電流。

開(kāi)關(guān)損耗E_on和E_off是IGBT開(kāi)關(guān)期間V_CE和I_C乘積的積分，IGBT的拖尾效應也需考慮在內。

遵循IEC標準，E_on和E_off定義如下：

E_on：t_sw從10%的V_GE開(kāi)始，到2%的V_CE結束。

E_off：t_sw從90%的V_GE開(kāi)始，到2%的I_C結束。

E_ts：總開(kāi)關(guān)損耗，是E_on和E_off之和。

通常情況下，用作測量E_on和E_off的測試裝置如下圖示，上管IGBT同下管被測IGBT是相同的，即下管被測IGBT關(guān)斷后，是由同樣規格的上管IGBT的反并二極管做續流。

對于用于諧振應用的IGBT（電磁爐、變頻微波爐、工業(yè)焊機、電池充電），在數據手冊中只包含關(guān)斷參數的值。之所以這樣做，是因為這些器件在開(kāi)通時(shí)通常以軟開(kāi)關(guān)方式工作，因此開(kāi)通參數的值沒(méi)有用。

下圖是IHW40N120R5的數據手冊。

對于共封裝帶續流二極管和逆導型IGBT（IKx和IHx），反并聯(lián)續流二極管的電氣特性也在數據手冊中定義。

   ○ 反向恢復時(shí)間t_rr和反向恢復電荷Q_rr

   ○ 反向恢復電流峰值I_rrm

   ○ 在規定的時(shí)間內，反向恢復電流的峰值下降率d_Irr/dt

   ○ 反向恢復損耗E_rec

由于反并聯(lián)二極管在應用中經(jīng)常充當續流二極管，它的恢復特性對IGBT的開(kāi)通非常重要，特別是在高開(kāi)關(guān)頻率應用中，其性能受到二極管正向電流I_F、正向電流變化率dI_F/dt以及工作溫度的強烈影響。

6.其他參數

●  輸出特性

輸出特性表示電壓V_CE是I_C的函數，它通常在幾個(gè)不同柵極電壓V_GE下給出。這些曲線(xiàn)取決于結溫，因此在數據表中提供了兩張圖，一張是在室溫25°C時(shí)；另一個(gè)是在高溫150°C或175°C時(shí)。

如果柵極電壓V_GE設置在10V以下，負載電流會(huì )在某一數值上趨于飽和。為了避免IGBT的飽和，也就是所謂的線(xiàn)性工作區，建議V_GE電壓至少為15V。

快速開(kāi)關(guān)器件通常具有較高的跨導。因此，較低的驅動(dòng)電壓如+12V也可以考慮，主要是為了實(shí)現以下好處。

1.增加短路耐受時(shí)間以提高可靠性

2.減少I(mǎi)GBT關(guān)斷時(shí)的電壓過(guò)沖現象

3.減少在高頻率下運行的柵極驅動(dòng)器的驅動(dòng)損耗

也應考慮較低柵極電壓的缺點(diǎn)：較高的導通損耗和較高的開(kāi)關(guān)損耗。

●  短路耐受時(shí)間t_SC

t_SC定義了IGBT在短路條件下可以承受的，不發(fā)生故障的時(shí)間。它是在結溫150°C或175°C，柵極電壓V_GE=+15V和一定的母線(xiàn)電壓V_CC的情況下定義的。該參數的母線(xiàn)電壓通常對于600V/650V的器件是400V，對于1200V的器件是600V。

典型的Ⅰ類(lèi)短路（指器件在開(kāi)通前就已經(jīng)短路）波形如下圖示：

集電極電流在母線(xiàn)電壓和環(huán)路電感的影響下迅速上升。之后，它保持在特定柵極電壓下的飽和電流值附近。IGBT上的電壓降與母線(xiàn)電壓相同。因此，在芯片中產(chǎn)生了巨大的功率損耗，導致結溫快速上升。盡管由于較高的結溫，電流略有下降，但功率損耗是非常高的，并會(huì )損壞芯片。為了避免IGBT的損壞，在短路過(guò)程中，有必要對IGBT進(jìn)行相應的保護。

一般來(lái)說(shuō)，短路耐受時(shí)間因技術(shù)而異，它表明了IGBT的耐受程度。請注意，它通常是技術(shù)權衡優(yōu)化的結果。更高的短路耐受時(shí)間是通過(guò)限制載流子密度以及IGBT的跨導來(lái)獲得的。但這將降低開(kāi)關(guān)和導通性能。

●  短路電流ISC

短路電流是為有短路能力的IGBT定義的。

在數據手冊中，下圖顯示了I_SC和t_SC與柵極電V_GE的關(guān)系。對于較高的V_GE，I_SC會(huì )增加，而t_SC反而會(huì )減少，這與輸出特性有關(guān)。

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