IGBT的动态特性与静态特性的研究

IGBT的动态特性与静态特性的研究

IGBT动态参数

IGBT模块IGBT模块静态参数可全面评估IGBT芯片的性能。

RGintIGBT驱动器的峰值电流能力。

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。

栅极电阻和驱动电压条件下，IGBT驱动

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到达。

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，最小的Rgoff由关断dv/dt，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：

Cies及反应电容Cres是衡量栅极驱动电路的根本要素，输出电容Coss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：反应电容〔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，如以下图所示。

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，那么所需的驱动功率为：

IGBT开关时间参数：

开通延迟时间td(on)：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td(off)：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。

开关时间的定义由以下图所示：

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以下积分公式获得：

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静态参数

• 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： 工作区由以下图所示：

.模块及芯片级的VCES对应平安

Collector-emitter voltage of the IGBT

• 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

• 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，如以下图所示。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，如以下图所示。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。因此，数据手册的值相比拟理论计算值很低，但是，它是综合考虑功率模块的实际规定的平安工作区。

• RBSOA：反偏平安工作区

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。

• 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：