IGBT模块参数详解

-.z.IGBT模块参数详解一-IGBT静态参数VCES：集电极-发射极阻断电压在可使用的结温围栅极-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对应平安工作区由以下图所示：：.igbt8./jc/19.htmlCollector-emittervoltageoftheIGBT由于模块部杂散电感，模块主端子与辅助端子的电压差值为，由于部及外部杂散电感，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：。Ma*imumratingforPtot二极管所允许的最大功耗可由一样的方法计算获得。ICnom：集电极直流电流在可使用的结温围流过集电极-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。Specifiedasdatacode:FF450R17ME3

在上式中Ic及VCEsatIc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、电气连接器的限制。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限制规定的平安工作区。RBSOA：反偏平安工作区该参数描述了功率模块的IGBT在关断时的平安工作条件。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。由于模块部杂散电感，模块平安工作区被限定，如以下图所示。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。对于该平安工作区，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。ReversebiassafeoperatingareaIsc：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：IGBT模块参数详解二-IGBT动态参数IGBT模块动态参数是评估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IGBT模块静态参数可全面评估IGBT芯片的性能。RGint：模块部栅极电阻:为了实现模块部芯片均流，模块部集成有栅极电阻。该电阻值应该被当成总的栅极电阻的一局部来计算IGBT驱动器的峰值电流能力。RGe*t：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Rge*t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驱动理论峰值电流可由下式计算得到，其中栅极电阻值为部及外部之和。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部构造固有的特性，芯片构造及简单的原理图如以下图所示。输入电容Cies及反响电容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：反响电容〔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展较准确的近似。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td(on)：开通时，从栅极电压的10%开场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%开场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%开场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准确的值。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：IGBT模块短路特性强烈地依赖于具体应用条件，如温度、杂散电感、IGBT驱动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假设干倍〔取决于IGBT的构造特性〕，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，IGBT必须被关断以防止损坏。：.igbt8./jc/24.html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，如以下图所示。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，则就可能造成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，米勒电容分压器反响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。为了防止栅极驱动的损耗，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IGBT模块的耗散功率以及额定电流的值抛开IGBT模块温度及热阻的规定是没有意义的，因此，为了比拟不同的功率器件性能，有必要分析他们的热特性。IGBT模块功率损耗产生的热量会使器件部的结温升高，进而降低器件及IGBT变流器性能并缩短寿命。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Zthjc(t)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到达热平衡时，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IGBT散热能力的关键因素。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，该散热器可以到达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构造、外表积、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如以下图所示，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。ThermalresistanceIGBT,junctiontocaseandcasetoheatsink热阻Rth描述了IGBT模块在稳定状态下的热行为，而热阻抗Zth描述了IGBT模块的瞬态或者短脉冲电流下的热行为。Rth只能描述DC工作模式，大局部IGBT实际应用是以一定的占空比进展开关动作。这种动态条件下，需要考虑采用热阻加热容的方法描述其等效电路。以下图显示瞬态热阻抗ZthJC是作为时间的函数，ZthJC(t)到达最大值RθJC时饱和。TransientThermalImpedanceofIGBTChangesinjunctiontemperaturerespecttoconductiontime单个脉冲曲线决定了以一定占空比(D)的连续脉冲工作状态下的热阻，如下式：式中：Zthjc(t)为占空比为D的连续脉冲瞬态热阻，Sthjc(t)：单个脉冲瞬态热阻a)

Transientthermalimpedancejunctiontocaseandb)transientthermalmodelIGBT模块的功耗主要是通过不同材料从芯片消散到散热器，每一种功率耗散路径上的材料都具有自身的热特性。因而，IGBT模块的热阻抗行为可以使用适宜的系数进展建模，得到了上图a的热阻抗曲线ZthJC(t)。图b中单独的RC元素没有物理意义，它们的值是由相应的分析工具，从测量的模块加热曲线上提取得到。规格书包含了局部分数系数，如上图a中表格所示。电容的值可以由下式所得：IGBT模块的热阻分布及等效电路图如以下图所示：IGBT模块热阻及温度分布图IGBT模块热阻等效电路假定散热器是等温的，则有热传输与电流传输有极大的相似性，遵从热路欧姆定律，可用上图的等效电路描述热量消散通道。从芯片结点到环境中的整体热阻以RθJA表示，等效电路可由下式描述：IGBT模块一个桥臂的热阻与桥臂IGBT及二极管的热阻关系如以下图所示：如果给定模块的热阻RthCH，可以由下式计算每个IGBT和二极管的热阻：以下图为逆变器在不同的工作频率下IGBT结温的仿真结果：由上图可见，即使一样的功耗，不同的工作频率会导致Tj较大的偏差，假设要获得详细仿真结果，可由器件供给商的仿真软件仿真得到。IGBT模块参数详解五-模块整体参数该局部描述与IGBT模块机械构造相关的电气特性参数，包括绝缘耐压、主端子电阻、杂散电感、直流电压能力。绝缘耐压：为了评定IGBT模块的额定绝缘电压值，将所有端子连接到一起，接至高压源高端，基板接至测试仪器低压端。高阻抗高压源必须提供需要的绝缘测试电压Viso，将测试电压逐渐提升至规定值，该值可由下式确定并保持规定的时间t，然后将电压降为0。英飞凌的IGBT模块设计至少可到达IEC61140标准的等级1，对于部带有NTC的IGBT模块，可通过在接地的NTC与其他连到一起的所有控制及主端子之间接高压，验证绝缘要求。适宜的绝缘电压取决于IGBT的额定集电极-发射极电压，对于1700VIGBT模块大局部应用需要2.5KV的绝缘耐压要求。但对于牵引应用，同样1700阻断电压的IGBT模块需要4KV的绝缘耐压能力。因此，选择IGBT模块时，关注应用场合是非常重要的。英飞凌除了工业应用的1200V模块满足VDE0160/EN50178要求，其他所有的IGBT模块都按照IEC1287通过了绝缘测试。因为绝缘测试意味着模块被施加极端压力，如果