IGBT單管參數(shù)解析-下

IGBT是大家常用的開關功率器件，本文基于英飛凌單管IGBT的數(shù)據(jù)手冊，對手冊中的一些關鍵參數(shù)和圖表進行解釋說明，用戶可以了解各參數(shù)的背景信息，以便合理地使用IGBT。

在上篇《IGBT單管數(shù)據(jù)手冊參數(shù)解析——上》中，我們介紹了IGBT的命名、最大額定值及靜態(tài)參數(shù)。今天我們介紹動態(tài)特性、開關特性及其它參數(shù)。

4.動態(tài)特性

輸入電容，輸出電容和反向傳輸電容 Cies ，Coes和Cres

輸入電容 Cies ，是Cres同CGE之和，是設計驅動的一個關鍵參數(shù)。它在每個開關周期進行充電和放電，它定義了柵極驅動損耗。另一方面，CGE減少了在半橋拓撲中由于電流流過電容Cres而導致的寄生導通的風險。

輸出電容 Coes ，是Cres同CCE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 Cres ，也稱為米勒電容，它決定了IGBT開關時電流和電壓之間的交叉時間，影響著開關損耗。Cres/CGE對集電極-發(fā)射極的dV/dt和VGE之間的耦合效應有很大影響，降低該比率可實現(xiàn)快速開關能力，并避免器件不必要的寄生導通。

柵極電荷QG

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

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

內部發(fā)射極電感LE

LE是總換流回路電感的一部分，它通常同關斷電壓過沖和開關損耗有關。因此，該值需要盡量的小，特別是對于在高開關頻率下運行的IGBT。

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

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5.開關特性

開關性能在很大程度上取決于幾個因素，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(shù)，特別是電感和電容。因此，在不同制造商的零件之間根據(jù)數(shù)據(jù)手冊的數(shù)值進行直接比較可能不是一個正確的比較。因此，強烈建議通過應用測試和適當?shù)谋碚鱽碓u估這些器件。

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

t(d)on： 從VGE的10%到IC的10%

** tr ：** 從IC的10%到IC的90%

** t(d)off ：** 從VGE的90%到IC的90%

** tf ：** 從IC的90%到IC的10%

其中VGE是柵極電壓，IC是集電極電流。

開關損耗Eon和Eoff是IGBT開關期間VCE和IC乘積的積分，IGBT的拖尾效應也需考慮在內。

遵循IEC標準，Eon和Eoff定義如下：

Eon ： tsw從10%的VGE開始，到2%的VCE結束。

Eoff ： tsw從90%的VGE開始，到2%的IC結束。

Ets ：總開關損耗，是Eon和Eoff之和。

通常情況下，用作測量Eon和Eoff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關斷后，是由同樣規(guī)格的上管IGBT的反并二極管做續(xù)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(shù)據(jù)手冊中只包含關斷參數(shù)的值。之所以這樣做，是因為這些器件在開通時通常以軟開關方式工作，因此開通參數(shù)的值沒有用。

下圖是IHW40N120R5的數(shù)據(jù)手冊。

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

反向恢復時間trr和反向恢復電荷Qrr
反向恢復電流峰值Irrm
在規(guī)定的時間內，反向恢復電流的峰值下降率dIrr/dt
反向恢復損耗Erec

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

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6.其他參數(shù)

輸出特性

輸出特性表示電壓VCE是IC的函數(shù)，它通常在幾個不同柵極電壓VGE下給出。這些曲線取決于結溫，因此在數(shù)據(jù)表中提供了兩張圖，一張是在室溫25°C時；另一個是在高溫150°C或175°C時。

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

快速開關器件通常具有較高的跨導。因此，較低的驅動電壓如+12V也可以考慮，主要是為了實現(xiàn)以下好處。

1.增加短路耐受時間以提高可靠性

2.減少IGBT關斷時的電壓過沖現(xiàn)象

3.減少在高頻率下運行的柵極驅動器的驅動損耗

也應考慮較低柵極電壓的缺點：較高的導通損耗和較高的開關損耗。

短路耐受時間tSC

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

典型的Ⅰ類短路（指器件在開通前就已經短路）波形如下圖示：

集電極電流在母線電壓和環(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上的電壓降與母線電壓相同。因此，在芯片中產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，并會損壞芯片。為了避免IGBT的損壞，在短路過程中，有必要對IGBT進行相應的保護。

一般來說，短路耐受時間因技術而異，它表明了IGBT的耐受程度。請注意，它通常是技術權衡優(yōu)化的結果。更高的短路耐受時間是通過限制載流子密度以及IGBT的跨導來獲得的。但這將降低開關和導通性能。

短路電流ISC

短路電流是為有短路能力的IGBT定義的。