【導(dǎo)讀】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Cies,Coes和Cres
輸入電容Cies,是Cres同CGE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,CGE減少了在半橋拓?fù)渲杏捎陔娏髁鬟^電容Cres而導(dǎo)致的寄生導(dǎo)通的風(fēng)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(fā)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(guān)時電流和電壓之間的交叉時間,影響著開關(guān)損耗。Cres/CGE對集電極-發(fā)射極的dV/dt和VGE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QG
柵極電荷描述了驅(qū)動?xùn)艠O電壓VGE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VGE到某一數(shù)值所需的QG值。QG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IC的額定值和不同的VCE值繪制的。
● 內(nèi)部發(fā)射極電感LE
LE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(yùn)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(guān)損耗Eon和Eoff是IGBT開關(guān)期間VCE和IC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),Eon和Eoff定義如下:
Eon:tsw從10%的VGE開始,到2%的VCE結(jié)束。
Eoff:tsw從90%的VGE開始,到2%的IC結(jié)束。
Ets:總開關(guān)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(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?yàn)檫@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trr和反向恢復(fù)電荷Qrr
○ 反向恢復(fù)電流峰值Irrm
○ 在規(guī)定的時間內(nèi),反向恢復(fù)電流的峰值下降率dIrr/dt
○ 反向恢復(fù)損耗Erec
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IF、正向電流變化率dIF/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VCE是IC的函數(shù),它通常在幾個不同柵極電壓VGE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VGE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VGE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(shí)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(yùn)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(diǎn):較高的導(dǎo)通損耗和較高的開關(guān)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(fā)生故障的時間。它是在結(jié)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(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ISC和tSC與柵極電VGE的關(guān)系。對于較高的VGE,ISC會增加,而tSC反而會減少,這與輸出特性有關(guān)。
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