IGBT模塊參數(shù)詳解

1、IGBT模塊參數(shù)詳解一-IGBT靜態(tài)參數(shù)· VCES：集電極-發(fā)射極阻斷電壓在可使用的結(jié)溫范圍內(nèi)柵極-發(fā)射極短路狀態(tài)下，允許的斷態(tài)集電極-發(fā)射極最高電壓。手冊里VCES是規(guī)定在25°C結(jié)溫條件下，隨著結(jié)溫的降低VCES也會有所降低。降低幅度與溫度變化的關系可由下式近似描述： Collector-emitter voltage of the IGBT由于模塊內(nèi)部雜散電感，模塊主端子與輔助端子的電壓差值為 ，由于內(nèi)部及外部雜散電感，VCES在IGBT關斷的時候最容易被超過。VCES在任何條件下都不允許超出，否則IGBT就有可能被擊穿。· Ptot：

2、最大允許功耗在Tc=25°C條件下，每個IGBT開關的最大允許功率損耗，及通過結(jié)到殼的熱阻所允許的最大耗散功率。Ptot可由下面公式獲得： 。Maximum rating for Ptot二極管所允許的最大功耗可由相同的方法計算獲得。· IC nom：集電極直流電流在可使用的結(jié)溫范圍內(nèi)流過集電極-發(fā)射極的最大直流電流。根據(jù)最大耗散功率的定義，可以由Ptot的公式計算最大允許集電極電流。因而為了給出一個模塊的額定電流，必須指定對應的結(jié)和外殼的溫度，如下圖所示。請注意，沒有規(guī)定溫度條件下的額定電流是沒有意義的。Specified as data code: FF450

3、R17ME3在上式中Ic及VCEsat Ic都是未知量，不過可以在一些迭代中獲得。考慮到器件的容差，為了計算集電極額定直流電流，可以用VCEsat的最大值計算。計算結(jié)果一般會高于手冊值，所有該參數(shù)的值均為整數(shù)。該參數(shù)僅僅代表IGBT的直流行為，可作為選擇IGBT的參考，但不能作為一個衡量標準。· ICRM：可重復的集電極峰值電流最大允許的集電極峰值電流（Tj150°C），IGBT在短時間內(nèi)可以超過額定電流。手冊里定義為規(guī)定的脈沖條件下可重復集電極峰值電流，如下圖所示。理論上，如果定義了過電流持續(xù)時間，該值可由允許耗散功耗及瞬時熱阻Zth計算獲得。然而這個理論值并沒有考慮到綁

4、定線、母排、電氣連接器的限制。因此，數(shù)據(jù)手冊的值相比較理論計算值很低，但是，它是綜合考慮功率模塊的實際限制規(guī)定的安全工作區(qū)。· RBSOA：反偏安全工作區(qū)該參數(shù)描述了功率模塊的IGBT在關斷時的安全工作條件。如果工作期間允許的最大結(jié)溫不被超過，IGBT芯片在規(guī)定的阻斷電壓下可驅(qū)使兩倍的額定電流。由于模塊內(nèi)部雜散電感，模塊安全工作區(qū)被限定，如下圖所示。隨著交換電流的增加，允許的集電極-發(fā)射極電壓需要降額。此外，電壓的降額很大程度上依賴于系統(tǒng)的相關參數(shù)，諸如DC-Link的雜散電感以及開關轉(zhuǎn)換過程換流速度。對于該安全工作區(qū)，假定采用理想的DC-Link電容器，換流速度為規(guī)定的柵極電阻及柵

5、極驅(qū)動電壓條件下獲得。Reverse bias safe operating area· Isc：短路電流短路電流為典型值，在應用中，短路時間不能超過10uS。IGBT的短路特性是在最大允許運行結(jié)溫下測得。· VCEsat：集電極-發(fā)射極飽和電壓規(guī)定條件下，流過指定的集電極電流時集電極與發(fā)射極電壓的飽和值（IGBT在導通狀態(tài)下的電壓降）。手冊的VCEsat值是在額定電流條件下獲得，給出了Tj在25oC及125oC的值。Infineon的IGBT都具有正溫度效應，適宜于并聯(lián)。手冊的VCEsat值完全為芯片級，不包含導線電阻。VCEsat隨著集電極電流的增加而增加，隨著Vge增

6、加而減少。Vge不推薦使用太小的值，會增加IGBT的導通及開關損耗。VCEsat可用來計算IGBT的導通損耗，如下式描述，切線的點應盡量靠近工作點。對于SPWM控制方式，導通損耗可由下式獲得：IGBT模塊參數(shù)詳解二-IGBT動態(tài)參數(shù)IGBT模塊動態(tài)參數(shù)是評估IGBT模塊開關性能如開關頻率、開關損耗、死區(qū)時間、驅(qū)動功率等的重要依據(jù)，本文重點討論以下動態(tài)參數(shù)：模塊內(nèi)部柵極電阻、外部柵極電阻、外部柵極電容、IGBT寄生電容參數(shù)、柵極充電電荷、IGBT開關時間參數(shù)，結(jié)合IGBT模塊靜態(tài)參數(shù)可全面評估IGBT芯片的性能。RGint：模塊內(nèi)部柵極電阻:為了實現(xiàn)模塊內(nèi)部芯片均流，模塊內(nèi)部集成有柵極電阻。該電

7、阻值應該被當成總的柵極電阻的一部分來計算IGBT驅(qū)動器的峰值電流能力。RGext：外部柵極電阻：外部柵極電阻由用戶設置，電阻值會影響IGBT的開關性能。上圖中開關測試條件中的柵極電阻為Rgext的最小推薦值。用戶可通過加裝一個退耦合二極管設置不同的Rgon和Rgoff。已知柵極電阻和驅(qū)動電壓條件下，IGBT驅(qū)動理論峰值電流可由下式計算得到，其中柵極電阻值為內(nèi)部及外部之和。實際上，受限于驅(qū)動線路雜散電感及實際柵極驅(qū)動電路非理想開關特性，計算出的峰值電流無法達到。如果驅(qū)動器的驅(qū)動能力不夠，IGBT的開關性能將會受到嚴重的影響。最小的Rgon由開通di/dt限制，最小的Rgoff由關斷dv/dt限制

8、，柵極電阻太小容易導致震蕩甚至造成IGBT及二極管的損壞。Cge：外部柵極電容：高壓IGBT一般推薦外置Cge以降低柵極導通速度，開通的di/dt及dv/dt被減小，有利于降低受di/dt影響的開通損耗。IGBT寄生電容參數(shù)：IGBT寄生電容是其芯片的內(nèi)部結(jié)構固有的特性，芯片結(jié)構及簡單的原理圖如下圖所示。輸入電容Cies及反饋電容Cres是衡量柵極驅(qū)動電路的根本要素，輸出電容Coss限制開關轉(zhuǎn)換過程的dv/dt，Coss造成的損耗一般可以被忽略。其中：Cies = CGE + CGC：輸入電容（輸出短路）Coss = CGC + CEC：輸出電容（輸入短路）Cres = C

9、GC：反饋電容（米勒電容）動態(tài)電容隨著集電極與發(fā)射極電壓的增加而減小，如下圖所示。手冊里面的寄生電容值是在25V柵極電壓測得，CGE的值隨著VCE的變化近似為常量。CCG的值強烈依賴于VCE的值，并可由下式估算出：IGBT所需柵極驅(qū)動功率可由下式獲得：或者QG：柵極充電電荷：柵極充電電荷可被用來優(yōu)化柵極驅(qū)動電路設計，驅(qū)動電路必須傳遞的平均輸出功率可通過柵極電荷、驅(qū)動電壓及驅(qū)動頻率獲得，如下式：其中的QG為設計中實際有效的柵極電荷，依賴于驅(qū)動器輸出電壓擺幅，可通過柵極IGBT開關時間參數(shù)電荷曲線進行較精確的近似。通過選擇對應的柵極驅(qū)動輸出電壓的柵極電荷，實際應該考慮的QG可以從上圖中獲取。工業(yè)應

10、用設計中，典型的關斷柵極電壓常被設置為0V或者-8V，可由下式近似計算：例如，IGBT的柵極電荷參數(shù)如上表，實際驅(qū)動電壓為+15/-8V，則所需的驅(qū)動功率為：IGBT開關時間參數(shù)：開通延遲時間td(on)：開通時，從柵極電壓的10%開始到集電極電流上升至最終的10%為止，這一段時間被定義為開通延遲時間。開通上升時間tr：開通時，從集電極電流上升至最終值的10%開始到集電極電流上升至最終值的90%為止，這一段時間被定義為開通上升時間。關斷延遲時間td(off)：關斷時，從柵極電壓下降至其開通值的90%開始到集電極電流下降到開通值的90%為止，這一段時間被定義為關斷延遲時間。關斷下降時間tf：關斷

11、時，集電極電流由開通值的90%下降到10%之間的時間。開關時間的定義由下圖所示：因為電壓的上升下降時間及拖尾電流沒有制定，上述開關時間參數(shù)無法給出足夠的信息用來獲取開關損耗。因而，單個脈沖的能量損耗被單獨給出，單個脈沖開關損耗可由下列積分公式獲得：單個脈沖的開關時間及能量參數(shù)強烈地依賴于一系列具體應用條件，如柵極驅(qū)動電路、電路布局、柵極電阻、母線電壓電流及結(jié)溫。因而，手冊里的值只能作為IGBT開關性能的參考，需要通過詳細的仿真和實驗獲得較為精確的值。針對半橋拓撲電路，可根據(jù)手冊里的開關時間參數(shù)，設置互補的兩個器件在開通及關斷時的死區(qū)時間。IGBT模塊參數(shù)詳解三-短路及寄生導通IGBT短路性能：

12、IGBT模塊短路特性強烈地依賴于具體應用條件，如溫度、雜散電感、IGBT驅(qū)動電路及短路回路阻抗。IGBT短路特性可用下面測試電路描述。一個IGBT短接集電極及發(fā)射極，另一個IGBT施加單個驅(qū)動脈沖。對應的電壓電流典型波形如右圖所示，導通IGBT的電流以一定的斜率迅速上升，速度取決于DC-Link電壓及回路雜散電感。IGBT進入退飽和狀態(tài)，短路電流被限制在額定電流的若干倍（取決于IGBT的結(jié)構特性），集電極-發(fā)射極電壓保持在高位，芯片的溫度由于短路大電流造成的功耗而上升，溫度上升短路電流會略微下降。在一個規(guī)定的短路維持時間tsc手冊規(guī)定短路電流值是典型值，在應用中短路時間不應該超過10us.IG

13、BT寄生導通現(xiàn)象：IGBT半橋電路運作時的一個常見問題是因米勒電容引起的寄生導通問題，如下圖所示。S2處于關斷狀態(tài)，S1開通時，S2兩端會產(chǎn)生電壓變化（dv/dt），將會形成因自身寄生米勒電容CCG所引發(fā)的電流，這個電流流過柵極電阻RG與驅(qū)動內(nèi)部電阻，造成IGBT柵極到射極上的壓降，如果這個電壓超過IGBT的柵極臨界電壓，那么就可能造成S2的寄生導通，形成短路，引起電流擊穿問題，進而可能導致IGBT損壞。寄生導通的根本原因是集電極和柵極之間固有的米勒電容造成的，如果集電極與發(fā)射極之間存在高電壓瞬變，由于驅(qū)動回路寄生電感，米勒電容分壓器反應速度遠遠快于外圍驅(qū)動電路。因此即使IGBT關斷在0V柵極

14、電壓，dvce/dt將會造成柵極電壓的上升，柵極電路的影響將被忽略。柵極發(fā)射極電壓可由下式計算：由上式可知，Cres/Cies的比例應該越小越好。為了避免柵極驅(qū)動的損耗，輸入電容的值也應該越小越好。因為米勒電容隨著VCE的增大而減小，所以，隨著集電極-發(fā)射極電壓的增大，抑制dv/dt寄生導通的魯棒性能也增加。IGBT模塊參數(shù)詳解四-熱阻特性IGBT模塊的耗散功率以及額定電流的值拋開IGBT模塊溫度及熱阻的規(guī)定是沒有意義的，因此，為了比較不同的功率器件性能，有必要分析他們的熱特性。IGBT模塊功率損耗產(chǎn)生的熱量會使器件內(nèi)部的結(jié)溫升高，進而降低器件及IGBT變流器性能并縮短壽命。讓從芯片結(jié)點產(chǎn)生的

15、熱量消散出去以降低結(jié)溫是非常重要的，瞬態(tài)熱阻抗Zthjc(t)描述了器件的熱量消散能力。熱阻Rth的定義為硅片消耗功率并達到熱平衡時，消耗單位功率導致結(jié)溫相對于外部指定點的溫度上升的值，是衡量IGBT散熱能力的關鍵因素。RJC(結(jié)到殼熱阻)：是指每個開關管結(jié)合部(硅片)同外殼(模塊底板)之間的熱阻。該值大小完全取決于封裝設計及內(nèi)部框架材料。RJC通常在Tc=25條件下測得，可由下式計算：Tc=25是采用無窮大散熱器的條件，及外殼的溫度與環(huán)境溫度一樣，該散熱器可以達到Tc=Ta。IGBT模塊產(chǎn)品手冊分別規(guī)定了IGBT和反并聯(lián)二極管的RJC值。RCS(接觸熱阻，殼到散熱器)：是指模塊底板與散熱器之

16、間熱阻。該值與封裝形式、導熱硅脂的類型和厚度以及與散熱器的安裝方式有關。RSA(散熱器到大氣的熱阻)：取決于散熱器的幾何結(jié)構、表面積、冷卻方式及質(zhì)量。當描述帶基板的功率模塊或分立器件的熱特性時時，需要觀察芯片結(jié)點、外殼、散熱器的溫度。手冊中結(jié)到底板的熱阻及底板到散熱器的熱阻規(guī)范如下圖所示，底板到散熱器的熱阻RthCH定義了一個在規(guī)定的熱界面材料條件下的典型值。Thermal resistance IGBT, junction to case and case to heat sink熱阻Rth描述了IGBT模塊在穩(wěn)定狀態(tài)下的熱行為，而熱阻抗Zth描述了IGBT模塊的瞬態(tài)或者短脈沖電流下的熱行為

17、。Rth只能描述DC工作模式，大部分IGBT實際應用是以一定的占空比進行開關動作。這種動態(tài)條件下，需要考慮采用熱阻加熱容的方法描述其等效電路。下圖顯示瞬態(tài)熱阻抗ZthJC是作為時間的函數(shù)，ZthJC(t)到達最大值RJC時飽和。Transient Thermal Impedance of IGBTChanges in junction temperature respect to conduction time單個脈沖曲線決定了以一定占空比(D)的連續(xù)脈沖工作狀態(tài)下的熱阻，如下式：式中：Zthjc(t)為占空比為D的連續(xù)脈沖瞬態(tài)熱阻，Sthjc(t)：單個脈沖瞬態(tài)熱阻a)  

18、;    Transient thermal impedance junction to case and b) transient thermal modelIGBT模塊的功耗主要是通過不同材料從芯片消散到散熱器，每一種功率耗散路徑上的材料都具有自身的熱特性。因而，IGBT模塊的熱阻抗行為可以使用合適的系數(shù)進行建模，得到了上圖a的熱阻抗曲線ZthJC(t)。圖b中單獨的RC元素沒有物理意義，它們的值是由相應的分析工具，從測量的模塊加熱曲線上提取得到。規(guī)格書包含了部分分數(shù)系數(shù)，如上圖a中表格所示。電容的值可以由下式所得：IGBT模塊的熱阻分布及等效電路圖如下圖所示

19、：IGBT模塊熱阻及溫度分布圖IGBT模塊熱阻等效電路假定散熱器是等溫的，則有熱傳輸與電流傳輸有極大的相似性，遵從熱路歐姆定律，可用上圖的等效電路描述熱量消散通道。從芯片結(jié)點到環(huán)境中的整體熱阻以RJA表示，等效電路可由下式描述： IGBT模塊一個橋臂的熱阻與橋臂內(nèi)IGBT及二極管的熱阻關系如下圖所示：如果給定模塊的熱阻RthCH，可以由下式計算每個IGBT和二極管的熱阻：下圖為逆變器在不同的工作頻率下IGBT結(jié)溫的仿真結(jié)果：由上圖可見，即使相同的功耗，不同的工作頻率會導致Tj較大的偏差，若要獲得詳細仿真結(jié)果，可由器件供應商的仿真軟件仿真得到。IGBT模塊參數(shù)詳解五-模塊整體參數(shù)該部分

20、描述與IGBT模塊機械構造相關的電氣特性參數(shù)，包括絕緣耐壓、主端子電阻、雜散電感、直流電壓能力。絕緣耐壓：為了評定IGBT模塊的額定絕緣電壓值，將所有端子連接到一起，接至高壓源高端，基板接至測試儀器低壓端。高阻抗高壓源必須提供需要的絕緣測試電壓Viso，將測試電壓逐漸提升至規(guī)定值，該值可由下式確定并保持規(guī)定的時間t，然后將電壓降為0。英飛凌的IGBT模塊設計至少可達到IEC61140標準的等級1，對于內(nèi)部帶有NTC的IGBT模塊，可通過在接地的NTC與其他連到一起的所有控制及主端子之間接高壓，驗證絕緣要求。合適的絕緣電壓取決于IGBT的額定集電極-發(fā)射極電壓，對于1700V IGBT模塊大部分應用需要2.5KV的絕緣耐壓要求。但對于牽引應用，同樣1700阻斷電壓的IGBT模塊需要4KV的絕緣耐壓能力。因此，選擇IGBT模塊時，關注應用場合是非常重要的。英飛凌除了工業(yè)應用的1200V模塊滿足VDE0160/EN50178要求，其他所有的IGBT模塊都按照IEC1287通過了絕緣測試。因為絕緣測試意味著模塊被施加極端壓