IGBT模块参数详解

IGBT模块参数详解一-IGBT静态参数

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VCES：集电极-发射极阻断电压

在可使用的结温范围内栅极-发射极短路状态下,允许的断态集电极-发射极最高电压;手册里VCES是规定在25°C结温条件下,随着结温的降低VCES也会有所降低;降低幅度与温度变化的关系可由下式近似描述： .模块及芯片级的VCES对应安全工作区由下图所示：文章来源： voltage of the IGBT

由于模块内部杂散电感,模块主端子与辅助端子的电压差值为 ,由于内部及外部杂散电感,VCES在IGBT关断的时候最容易被超过;VCES在任何条件下都不允许超出,否则IGBT就有可能被击穿;

• Ptot：最大允许功耗

在Tc=25°C条件下,每个IGBT开关的最大允许功率损耗,及通过结到壳的热阻所允许的最大耗散功率;Ptot可由下面公式获得： ;

Maximum rating for Ptot 二极管所允许的最大功耗可由相同的方法计算获得;

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IC nom：集电极直流电流

在可使用的结温范围内流过集电极-发射极的最大直流电流;根据最大耗散功率的定义,可以由Ptot的公式计算最大允许集电极电流;因而为了给出一个模块的额定电流,必须指定对应的结和外壳的温度,如下图所示;请注意,没有规定温度条件下的额定电流是没有意义的;

Specified as data code: FF450R17ME3

在上式中Ic及VCEsat Ic都是未知量,不过可以在一些迭代中获得;考虑到器件的容差,为了计算集电极额定直流电流,可以用VCEsat的最大值计算;

计算结果一般会高于手册值,所有该参数的值均为整数;该参数仅仅代表IGBT的直流行为,可作为选择IGBT的参考,但不能作为一个衡量标准;

• ICRM：可重复的集电极峰值电流

最大允许的集电极峰值电流Tj≤150°C,IGBT在短时间内可以超过额定电流;手册里定义为规定的脉冲条件下可重复集电极峰值电流,如下图所示;理论上,如果定义了过电流持续时间,该值可由允许耗散功耗及瞬时热阻Zth计算获得;然而这个理论值并没有考虑到绑定线、母排、电气连接器的限制;因此,数据手册的值相比较理论计算值很低,但是,它是综合考虑功率模块的实际限制规定的安全工作区;

• RBSOA：反偏安全工作区

该参数描述了功率模块的IGBT在关断时的安全工作条件;如果工作期间允许的最大结温不被超过,IGBT芯片在规定的阻断电压下可驱使两倍的额定电流;由于模块内部杂散电感,模块安全工作区被限定,如下图所示;随着交换电流的增加,允许的集电极-发射极电压需要降额;此外,电压的降额很大程度上依赖于系统的相关参数,诸如DC-Link的杂散电感以及开关转换过程换流速度;对于该安全工作区,假定采用理想的DC-Link电容器,换流速度为规定的栅极电阻及栅极驱动电压条件下获得;

Reverse bias safe operating area • Isc：短路电流

短路电流为典型值,在应用中,短路时间不能超过10uS;IGBT的短路特性是在最大允许运行结温下测得;

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VCEsat：集电极-发射极饱和电压

规定条件下,流过指定的集电极电流时集电极与发射极电压的饱和值IGBT在导通状态下的电压降;

手册的VCEsat值是在额定电流条件下获得,给出了Tj在25oC及125oC的值;Infineon的IGBT都具有正温度效应,适宜于并联;手册的VCEsat值完全为芯片级,不包含导线电阻;

VCEsat随着集电极电流的增加而增加,随着Vge增加而减少;Vge不推荐使用太小的值,会增加IGBT的导通及开关损耗;

VCEsat可用来计算IGBT的导通损耗,如下式描述,切线的点应尽量靠近工作点;

对于SPWM控制方式,导通损耗可由下式获得：

IGBT模块参数详解二-IGBT动态参数

动态参数是评估IGBT模块开关性能如开关频率、开关损耗、死区时间、驱动功率等的重要依据,本文重点讨论以下动态参数：模块内部栅极电阻、外部栅极电阻、外部栅极电容、IGBT寄生电容参数、栅极充电电荷、IGBT开关时间参数,结合可全面评估IGBT芯片的性能;

RGint：模块内部栅极电阻:

为了实现模块内部芯片均流,模块内部集成有栅极电阻;该电阻值应该被当成总的栅极电阻的一部分来计算器的峰值电流能力;

RGext：外部栅极电阻：

外部栅极电阻由用户设置,电阻值会影响IGBT的开关性能;

上图中开关测试条件中的栅极电阻为Rgext的最小推荐值; 用户可通过加装一个退耦合二极管设置不同的Rgon和Rgoff;

已知栅极电阻和驱动电压条件下,理论峰值电流可由下式计算得到,其中栅极电阻值为内部及外部之和;

实际上,受限于驱动线路杂散电感及实际栅极驱动电路非理想开关特性,计算出的峰值电流无法达到;

如果驱动器的驱动能力不够,IGBT的开关性能将会受到严重的影响;

最小的Rgon由开通di/dt限制,最小的Rgoff由关断dv/dt限制,栅极电阻太小容易导致震荡甚至造成IGBT及二极管的损坏;

Cge：外部栅极电容： 高压IGBT一般推荐外置Cge以降低栅极导通速度,开通的di/dt及dv/dt被减小,有利于降低受di/dt影响的开通损耗;

IGBT寄生电容参数：

IGBT寄生电容是其芯片的内部结构固有的特性,芯片结构及简单的原理图如下图所示;输入电容Cies及反馈电容Cres是衡量栅极驱动电路的根本要素,输出电容Coss限制开关转换过程的dv/dt,Coss造成的损耗一般可以被忽略;

其中：

Cies = CGE + CGC：输入电容输出短路 Coss = CGC + CEC：输出电容输入短路

Cres = CGC：反馈电容米勒电容

动态电容随着集电极与发射极电压的增加而减小,如下图所示;

手册里面的寄生电容值是在25V栅极电压测得,CGE的值随着VCE的变化近似为常量;CCG的值强烈依赖于VCE的值,并可由下式估算出：

IGBT所需栅极驱动功率可由下式获得：

或者

QG：栅极充电电荷：

栅极充电电荷可被用来优化栅极驱动电路设计,驱动电路必须传递的平均输出功率可通过栅极电荷、驱动电压及驱动频率获得,如下式：

其中的QG为设计中实际有效的栅极电荷,依赖于驱动器输出电压摆幅,可通过栅极

IGBT开关时间参数电荷曲线进行较精确的近似;

通过选择对应的栅极驱动输出电压的栅极电荷,实际应该考虑的QG’可以从上图中获取;工业应用设计中,典型的关断栅极电压常被设置为0V或者-8V,可由下式近似计算：

例如,IGBT的栅极电荷参数如上表,实际驱动电压为+15/-8V,则所需的驱动功率为：

IGBT开关时间参数：

开通延迟时间tdon：开通时,从栅极电压的10%开始到集电极电流上升至最终的10%为止,这一段时间被定义为开通延迟时间;

开通上升时间tr：开通时,从集电极电流上升至最终值的10%开始到集电极电流上升至最终值的90%为止,这一段时间被定义为开通上升时间;

关断延迟时间tdoff：关断时,从栅极电压下降至其开通值的90%开始到集电极电流下降到开通值的90%为止,这一段时间被定义为关断延迟时间;

关断下降时间tf：关断时,集电极电流由开通值的90%下降到10%之间的时间;

开关时间的定义由下图所示：

因为电压的上升下降时间及拖尾电流没有制定,上述开关时间参数无法给出足够的信息用来获取开关损耗;因而,单个脉冲的能量损耗被单独给出,单个脉冲开关损耗可由下列积分公式获得：

单个脉冲的开关时间及能量参数强烈地依赖于一系列具体应用条件,如栅极驱动电路、电路布局、栅极电阻、母线电压电流及结温;因而,手册里的值只能作为IGBT开关性能的参考,需要通过详细的仿真和实验获得较为精确的值;

针对半桥拓扑电路,可根据手册里的开关时间参数,设置互补的两个器件在开通及关断时的死区时间;

IGBT模块参数详解三-短路及寄生导通

IGBT短路性能：

短路特性强烈地依赖于具体应用条件,如温度、杂散电感、电路及短路回路阻抗;IGBT短路特性可用下面测试电路描述;一个IGBT短接集电极及发射极,另一个IGBT施加单个驱动脉冲;对应的电压电流典型波形如右图所示,导通IGBT的电流以一定的斜率迅速上升,速度取决于DC-Link电压及回路杂散电感;IGBT进入退饱和状态,短路电流被限制在额定电流的若干倍取决于IGBT的结构特性,集电极-发射极电压保持在高位,芯片的温度由于短路大电流造成的功耗而上升,温度上升短路电流会略微下降;在一个规定的短路维持时间tsc内,IGBT必须被关断以避免损坏;文章来源：手册规定短路电流值是典型值,在应用中短路时间不应该超过10us.

IGBT寄生导通现象：

IGBT半桥电路运作时的一个常见问题是因米勒电容引起的寄生导通问题,如下图所示;S2处于关断状态,S1开通时,S2两端会产生电压变化dv/dt,将会形成因自身寄生米勒电容CCG所引发的电流,这个电流流过栅极电阻RG与驱动内部电阻,造成IGBT栅极到射极上的压降,如果这个电压超过IGBT的栅极临界电压,那么就可能造成S2的寄生导通,形成短路,引起电流击穿问题,进而可能导致IGBT损坏;

寄生导通的根本原因是集电极和栅极之间固有的米勒电容造成的,如果集电极与发射极之间存在高电压瞬变,由于驱动回路寄生电感,米勒电容分压器反应速度远远快于外围驱动电路;因此即使IGBT关断在0V栅极电压,dvce/dt将会造成栅极电压的上升,栅极电路的影响将被忽略;栅极发射极电压可由下式计算：

由上式可知,Cres/Cies的比例应该越小越好;为了避免栅极驱动的损耗,输入电容的值也应该越小越好;

因为米勒电容随着VCE的增大而减小,所以,随着集电极-发射极电压的增大,抑制dv/dt寄生导通的鲁棒性能也增加; IGBT模块参数详解四-热阻特性

I的耗散功率以及额定电流的值抛开及热阻的规定是没有意义的,因此,为了比较不同的功率器件性能,有必要分析他们的热特性;功率损耗产生的热量会使器件内部的结温升高,进而降低器件及性能并缩短寿命;让从芯片结点产生的热量消散出去以降低结温是非常重要的,瞬态热阻抗Zthjct描述了器件的热量消散能力;热阻Rth的定义为硅片消耗功率并达到热平衡时,消耗单位功率导致结温相对于外部指定点的温度上升的值,是衡量能力的关键因素;

RθJC结到壳热阻：是指每个开关管结合部硅片同外壳模块底板之间的热阻;该值大小完全取决于封装设计及内部框架材料;RθJC通常在Tc=25℃条件下测得,可由下式计算：

Tc=25℃是采用无穷大散热器的条件,及外壳的温度与环境温度一样,该散热器可以达到Tc=Ta;

IGBT模块产品手册分别规定了IGBT和反并联二极管的RΘJC值;

RΘCS接触热阻,壳到散热器：是指模块底板与散热器之间热阻;该值与封装形式、导热硅脂的类型和厚度以及与散热器的安装方式有关;

RΘSA散热器到大气的热阻：取决于散热器的几何结构、表面积、冷却方式及质量;

当描述带基板的功率模块或分立器件的热特性时时,需要观察芯片结点、外壳、散热器的温度;手册中结到底板的热阻及底板到散热器的热阻规范如下图所示,底板到散热器的热阻RthCH定义了一个在规定的热界面材料条件下的典型值;