作者：英飛凌工業半導體 周明
IGBT是大家常用的開關功率器件，本文基於英飛凌單管IGBT的數據手冊，對手冊中的一些關鍵參數和圖表進行解釋說明，用戶可以了解各參數的背景信息，以便合理地使用IGBT。
英飛凌的IGBT數據手冊通常包含以下內容：
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封面，包括器件編號，IGBT技術的簡短描述，如果是帶共封裝續流二極體的器件，數據手冊也會包括二極體的功能，關鍵參數，應用以及基本的封裝信息。
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最大額定電氣參數和IGBT熱阻/二極體熱阻
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室溫下的電氣特性，包括靜態和動態參數
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25°C和150°C或175°C時的開關特性
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電氣特性圖表
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封裝圖
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關鍵參數的定義圖
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修訂歷史
1.英飛凌IGBT的命名
參考已有文章《英飛凌IGBT單管命名規則》
2.最大額定值
■ 集電極-發射極電壓VCE
該值定義了基於IGBT大規模生產的統計分布的最低擊穿電壓極限。此外，它定義了在結溫為25℃時，集電極和發射極之間的最大允許電壓，超過這個極限就會導致器件的壽命縮短或器件失效。一般來說該值隨結溫的降低而降低。該值也可由數據手冊靜態特性部分規定的參數ICES來驗證。
■ 集電極直流電流IC
IC定義為集電極-發射極直流電流值，在起始殼溫TC（通常為25°C或100°C）時，通流並導致IGBT達到最大結溫Tvjmax。TC=100°C時的數值通常被用作器件的額定電流和器件的名稱。
IC由下述公式得到：
■ 集電極瞬態電流ICplus
ICplus被定義為開啟和關閉時的最大瞬態電流。理論上，它受到特定時間內的功率耗散的限制，這使得器件可以在Tjmax≤175°C的最大結溫限制內運行。然而，還有一些其他的限制，例如鍵合線配置、可靠性考慮以及避免IGBT閂鎖的餘量。對於最近推出的IGBT，它的瞬態電流通常是額定電流的3~4倍，以保持高水平的可靠性以及使用壽命。
此外，這個值也定義了SOA中的電流限制。
■ 共封裝續流二極體電流IF和瞬態電流IFplus
與集電極瞬態電流ICplus和集電極瞬態電流ICplus的定義相同，用於定義共封裝續流二極體正向持續電流IF和二極體瞬態電流IFplus
■ 柵極-發射極電壓VGE
該參數定義了最大的柵極電壓。第一種是靜態電壓，對應的是在不損壞器件本身的情況下連續工作的柵極電壓最大值。第二種為瞬態電壓，對應於瞬態運行時的最大值，可以應用在柵極上而不引起損壞或退化。如果柵極上的電壓應力意外地高於指定值，可能會立即發生故障，也可能導致柵極氧化物退化，從而引起後續的故障。
■ 耗散功率Ptot
Ptot描述了器件允許的最大功率耗散，與IGBT的晶片結到外殼的熱阻相關，可以通過下述公式計算：
∆T定義為晶片結到外殼的溫度差，∆T=Tvjmax-TC
■ 運行結溫Tvj
這個參數對設計極為重要。儘管一旦超過極限，器件可能不會立即失效，但將導致器件的退化和使用壽命的縮短。
■ 熱阻Rth(j-c)
熱阻表征了功率半導體在穩定狀態下的熱行為。相應地，瞬態熱阻抗Zth(j-c)描述了器件在瞬態下的熱行為。IGBT/二極體的外殼被定義為整個器件的引線框架。FullPAK封裝器件，中間的引腳被視為外殼。數據手冊中所述的最大值考慮到了大規模生產時的公差，在產品設計時，需要使用該數值。
晶片結到外殼的熱阻Rth(j-c)是確定半導體器件熱行為的一個關鍵參數。然而，在任何設計中，將一個產品的熱阻值同另一個產品的熱阻值直接比較是不夠的。如下圖所示，在電源系統的熱耗散路徑中，晶片結到環境的熱阻Rth(j-a)起著最重要的作用，因為它決定了工作條件下的熱限制。它由外殼到環境的熱阻Rth(c-h)+Rth(h-a)和從結到外殼的熱阻Rth(j-c)組成。在大多數情況下，熱界面材料、絕緣墊片和散熱器的熱阻在Rth(j-a)中占主導地位。對於IKW40N65H5，Rth(j-c)最大值為0.6K/W。典型的熱界面材料（TIM）和絕緣墊片的熱阻值可能低至1K/W，而散熱器對環境的熱阻可能從強制通風的1K/W到不通風的幾十K/W。因此，與總的Rth(j-a)相比，Rth(j-c)的影響只在個位數百分比到幾十個百分比之間。
3. 靜態特性
■ 集電極-發射極擊穿電壓V(BR)CES
該參數定義了特定漏電流下的最小擊穿電壓。本例以IKW40N65H5為例，定義V(BR)CES時使用的漏電流IC=0.2mA，不同的晶片尺寸以及不同的IGBT技術標定時使用的漏電流都有所不同。集電極-發射極擊穿電壓隨晶片結溫變化。通常，對於大多數英飛凌IGBT產品來說，它是一個正的溫度係數。
■ 集電極-發射極飽和電壓VCEsat
VCEsat代表額定電流流過IGBT時，集電極和發射極之間的電壓降。它通常在15V柵極電壓以及幾個不同晶片結溫下定義。
一般英飛凌最新的IGBT，VCEsat顯示出正的溫度係數，這樣的特性有利於IGBT在高功率應用中的並聯，電流會在並聯器件之間自動均流。
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二極體正向電壓VF
二極體正向電壓VF是指二極體在導通模式下的電壓降。在數據手冊的圖表中，給出了典型的VF與溫度的關係，如下圖所示。請注意，二極體在額定電流下，通常具有輕微的負溫度係數的特點。
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柵極-發射極閾值電壓VGE(th)
該參數表示可以啟動集電極到發射極電流的最小柵極電壓。一般來說，該電壓隨著晶片結溫的升高而降低，這意味著VGE(th)擁有負溫度係數，在並聯使用時，需要仔細考慮這一點。
■ 漏電流ICES和IGES
這些參數表示集電極和發射極之間的漏電流（ICES)和柵極和發射極之間的漏電流(IGES)的上限。它們通常由技術、生產和工藝決定。ICES與擊穿電壓相關。當器件處於關斷模式，在集電極和發射極之間施加電壓時，ICES在IGBT中流過，它引入了靜態損耗。為了減少這些損耗的影響，ICES必須儘可能地保持低，低漏電流值也有助於提高最終產品的質量和可靠性。
跨導gfS
跨導gfS代表了根據柵極電壓變化而產生的電流變化。如下圖所示，在50A的集電極電流和175°C的Tvj溫度條件下，綠色線的斜率正好是跨導21。
未完待續，動態特性及開關特性敬請期待下篇。
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