IGBT單管數(shù)據(jù)手冊參數(shù)解析——下

IGBT是大家常用的開關(guān)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(guān)鍵參數(shù)和圖表進(jìn)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(guān)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C_ies，C_oes和C_res

輸入電容C_ies，是C_res同C_GE之和，是設(shè)計驅(qū)動的一個關(guān)鍵參數(shù)。它在每個開關(guān)周期進(jìn)行充電和放電，它定義了柵極驅(qū)動損耗。另一方面，C_GE減少了在半橋拓?fù)渲杏捎陔娏髁鬟^電容C_res而導(dǎo)致的寄生導(dǎo)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，也稱為米勒電容，它決定了IGBT開關(guān)時電流和電壓之間的交叉時間，影響著開關(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(yīng)有很大影響，降低該比率可實現(xiàn)快速開關(guān)能力，并避免器件不必要的寄生導(dǎo)通。

●   柵極電荷Q_G

柵極電荷描述了驅(qū)動?xùn)艠O電壓V_GE到一定值（通常是15V）所需的電荷量。它是驅(qū)動損耗的主要因素，并影響到整個驅(qū)動電路的設(shè)計。驅(qū)動損耗可以通過以下公式得出。

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上圖顯示了典型的柵極電荷曲線，從曲線中可以得到驅(qū)動V_GE到某一數(shù)值所需的Q_G值。Q_G是負(fù)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I_C的額定值和不同的V_CE值繪制的。

●   內(nèi)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)斷電壓過沖和開關(guān)損耗有關(guān)。因此，該值需要盡量的小，特別是對于在高開關(guān)頻率下運行的IGBT。

注意：內(nèi)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(guān)斷電壓過沖時，需要考慮這部分電壓。

5.開關(guān)特性

開關(guān)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(shè)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(jìn)行直接比較可能不是一個正確的比較。因此，強(qiáng)烈建議通過應(yīng)用測試和適當(dāng)?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(biāo)準(zhǔn)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。

開關(guān)損耗E_on和E_off是IGBT開關(guān)期間V_CE和I_C乘積的積分，IGBT的拖尾效應(yīng)也需考慮在內(nèi)。

遵循IEC標(biāo)準(zhǔn)，E_on和E_off定義如下：

E_on：t_sw從10%的V_GE開始，到2%的V_CE結(jié)束。

E_off：t_sw從90%的V_GE開始，到2%的I_C結(jié)束。

E_ts：總開關(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(guī)格的上管IGBT的反并二極管做續(xù)流。

對于用于諧振應(yīng)用的IGBT（電磁爐、變頻微波爐、工業(yè)焊機(jī)、電池充電），在數(shù)據(jù)手冊中只包含關(guān)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(guān)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(dǎo)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(fù)時間t_rr和反向恢復(fù)電荷Q_rr

   ○ 反向恢復(fù)電流峰值I_rrm

   ○ 在規(guī)定的時間內(nèi)，反向恢復(fù)電流的峰值下降率d_Irr/dt

   ○ 反向恢復(fù)損耗E_rec

由于反并聯(lián)二極管在應(yīng)用中經(jīng)常充當(dāng)續(xù)流二極管，它的恢復(fù)特性對IGBT的開通非常重要，特別是在高開關(guān)頻率應(yīng)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(qiáng)烈影響。

6.其他參數(shù)

●  輸出特性

輸出特性表示電壓V_CE是I_C的函數(shù)，它通常在幾個不同柵極電壓V_GE下給出。這些曲線取決于結(jié)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V_GE設(shè)置在10V以下，負(fù)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V_GE電壓至少為15V。

快速開關(guān)器件通常具有較高的跨導(dǎo)。因此，較低的驅(qū)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(guān)斷時的電壓過沖現(xiàn)象

3.減少在高頻率下運行的柵極驅(qū)動器的驅(qū)動損耗

也應(yīng)考慮較低柵極電壓的缺點：較高的導(dǎo)通損耗和較高的開關(guān)損耗。

●  短路耐受時間t_SC

t_SC定義了IGBT在短路條件下可以承受的，不發(fā)生故障的時間。它是在結(jié)溫150°C或175°C，柵極電壓V_GE=+15V和一定的母線電壓V_CC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(jīng)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(chǎn)生了巨大的功率損耗，導(dǎo)致結(jié)溫快速上升。盡管由于較高的結(jié)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(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。

一般來說，短路耐受時間因技術(shù)而異，它表明了IGBT的耐受程度。請注意，它通常是技術(shù)權(quán)衡優(yōu)化的結(jié)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(dǎo)來獲得的。但這將降低開關(guān)和導(dǎo)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(shù)據(jù)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會增加，而t_SC反而會減少，這與輸出特性有關(guān)。

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