IGBT單管數(shù)據(jù)手冊(cè)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(cè)，對(duì)手冊(cè)中的一些關(guān)鍵參數(shù)和圖表進(jìn)行解釋說(shuō)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(cè)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(dòng)態(tài)特性、開關(guān)特性及其它參數(shù)。

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(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。它在每個(gè)開關(guān)周期進(jìn)行充電和放電，它定義了柵極驅(qū)動(dòng)損耗。另一方面，C_GE減少了在半橋拓?fù)渲杏捎陔娏髁鬟^(guò)電容C_res而導(dǎo)致的寄生導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。

輸出電容C_oes，是C_res同C_CE之和。它對(duì)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(shí)電流和電壓之間的交叉時(shí)間，影響著開關(guān)損耗。C_res/C_GE對(duì)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(shí)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(dòng)?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(dòng)損耗的主要因素，并影響到整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。驅(qū)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，從曲線中可以得到驅(qū)動(dòng)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(gè)函數(shù)。通常情況下，它是針對(duì)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(guò)沖和開關(guān)損耗有關(guān)。因此，該值需要盡量的小，特別是對(duì)于在高開關(guān)頻率下運(yùn)行的IGBT。

注意：內(nèi)部發(fā)射極電感上的電壓降無(wú)法從外部測(cè)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.開關(guān)特性

開關(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(shè)計(jì)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(cè)的數(shù)值進(jìn)行直接比較可能不是一個(gè)正確的比較。因此，強(qiáng)烈建議通過(guò)應(yīng)用測(cè)試和適當(dāng)?shù)谋碚鱽?lái)評(píng)估這些器件。

下述這些參數(shù)通常根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的定義進(jìn)行測(cè)量和評(píng)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(cè)量E_on和E_off的測(cè)試裝置如下圖示，上管IGBT同下管被測(cè)IGBT是相同的，即下管被測(cè)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(duì)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(cè)中只包含關(guān)斷參數(shù)的值。之所以這樣做，是因?yàn)檫@些器件在開通時(shí)通常以軟開關(guān)方式工作，因此開通參數(shù)的值沒(méi)有用。

下圖是IHW40N120R5的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

對(duì)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(cè)中定義。

   ○ 反向恢復(fù)時(shí)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(shí)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(duì)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(gè)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(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(shè)置在10V以下，負(fù)載電流會(huì)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(dòng)電壓如+12V也可以考慮，主要是為了實(shí)現(xiàn)以下好處。

1.增加短路耐受時(shí)間以提高可靠性

2.減少IGBT關(guān)斷時(shí)的電壓過(guò)沖現(xiàn)象

3.減少在高頻率下運(yùn)行的柵極驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)損耗

也應(yīng)考慮較低柵極電壓的缺點(diǎn)：較高的導(dǎo)通損耗和較高的開關(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(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(duì)于600V/650V的器件是400V，對(duì)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(huì)損壞芯片。為了避免IGBT的損壞，在短路過(guò)程中，有必要對(duì)IGBT進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。

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(qǐng)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(shí)間是通過(guò)限制載流子密度以及IGBT的跨導(dǎo)來(lái)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(cè)中，下圖顯示了I_SC和t_SC與柵極電V_GE的關(guān)系。對(duì)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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