IGBT單管數據手冊參數解析——下

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。

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、最大額定值及靜態參數。今天我們介紹動態特性、開關特性及其它參數。

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4.動態特性

● 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。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於電流流過電容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，降低該比率可實現快速開關能力，並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，並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到某一數值所需的QG值。QG是負載電流和集電極-發射極電壓的一個函數。通常情況下，它是針對IC的額定值和不同的VCE值繪製的。

● 內部發射極電感LE

LE是總換流迴路電感的一部分，它通常同關斷電壓過沖和開關損耗有關。因此，該值需要儘量的小，特別是對於在高開關頻率下運行的IGBT。

注意：內部發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。

5.開關特性

開關性能在很大程度上取決於幾個因素，例如：集電極電流、集電極-發射極電壓、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，在不同製造商的零件之間根據數據手冊的數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的表征來評估這些器件。

下述這些參數通常根據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關斷後，是由同樣規格的上管IGBT的反並二極體做續流。

對於用於諧振應用的IGBT（電磁爐、變頻微波爐、工業焊機、電池充電），在數據手冊中只包含關斷參數的值。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，因此開通參數的值沒有用。

下圖是IHW40N120R5的數據手冊。

對於共封裝帶續流二極體和逆導型IGBT（IKx和IHx），反並聯續流二極體的電氣特性也在數據手冊中定義。

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

由於反並聯二極體在應用中經常充當續流二極體，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，其性能受到二極體正向電流IF、正向電流變化率dIF/dt以及工作溫度的強烈影響。

6.其他參數

輸出特性

輸出特性表示電壓VCE是IC的函數，它通常在幾個不同柵極電壓VGE下給出。這些曲線取決於結溫，因此在數據表中提供了兩張圖，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值上趨於飽和。為了避免IGBT的飽和，也就是所謂的線性工作區，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。該參數的母線電壓通常對於600V/650V的器件是400V，對於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路電感的影響下迅速上升。之後，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，在晶片中產生了巨大的功率損耗，導致結溫快速上升。儘管由於較高的結溫，電流略有下降，但功率損耗是非常高的，並會損壞晶片。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。