來(lái)自英飛凌開(kāi)發(fā)者社區(qū)的10問(wèn)10答——IGBT篇

在IGBT器件的開(kāi)通過(guò)程中，柵極電荷Qg的充電過(guò)程是怎樣的？

A:IGBT器件例如IKZA50N65EH7的數(shù)據(jù)手冊(cè)中如圖1所示，給出了柵極電荷Qg和柵極電壓Vge的關(guān)系。圖2為IGBT器件簡(jiǎn)化示意圖。柵極電荷的充電過(guò)程可以分為以下三個(gè)區(qū)域。在時(shí)間段AB之間電容Cge被充電，當(dāng)柵極電壓Vge達(dá)到柵極閾值電壓Vgeth，IGBT器件開(kāi)始工作。在時(shí)間段BC，柵極的充電過(guò)程由反饋電容Cgc(也叫密勒電容)決定，這時(shí)，Vce電壓不斷降低，電流Igc通過(guò)Cgc給柵極放電，此時(shí)柵極電壓保持恒定，這種現(xiàn)象叫作密勒平臺(tái)。在時(shí)間段CD，IGBT器件進(jìn)入飽和，dVce/dt會(huì)下降到零，此時(shí)柵極電流Ig繼續(xù)給柵極-發(fā)射極電容Cge充電，柵極電壓繼續(xù)上升。

圖1

圖2

Q

在實(shí)際應(yīng)用中，如何確定IGBT器件外部柵極電阻的取值？

A：柵極驅(qū)動(dòng)電阻阻值的選擇對(duì)IGBT的開(kāi)關(guān)特性和開(kāi)關(guān)損耗有很大的影響。在IGBT的數(shù)據(jù)手冊(cè)中，如圖 3所示的開(kāi)關(guān)損耗測(cè)試條件中柵極電阻 Rgon/Rgoff是重要的條件，它選取的原則為在規(guī)定的器件測(cè)試條件下的取值，比如Rgon的取值要保證在室溫和十分之一電流下不震蕩。

柵極電阻除了可以限制柵極的充放電電流，影響IGBT的開(kāi)關(guān)速度之外，還有其他方面的影響，比如：增加驅(qū)動(dòng)回路的功率損耗；降低電磁干擾；防止柵極振蕩；避免器件寄生開(kāi)通等。為了更好的發(fā)揮出IGBT器件開(kāi)關(guān)性能的優(yōu)勢(shì)，柵極驅(qū)動(dòng)電路往往采用獨(dú)立的開(kāi)通和關(guān)斷柵極電阻，如圖4所示。關(guān)斷回路串聯(lián)快恢復(fù)二極管，可以使柵極關(guān)斷電阻小于開(kāi)通電阻，這主要是考慮對(duì)于某些功率器件來(lái)說(shuō)，關(guān)斷延遲時(shí)間往往比開(kāi)通延遲時(shí)間更長(zhǎng)。

圖3

圖4

另一方面，考慮避免器件發(fā)生寄生開(kāi)通，如圖5所示，如果關(guān)斷柵極電阻較大，IGBT在關(guān)斷過(guò)程中，在高dv/dt和密勒電容Cgc作用下，根據(jù)公式:

IGBT的柵極電壓將被抬高，一旦Vge電壓高于門(mén)檻電壓Vgeth，將引起IGBT器件寄生開(kāi)通，如果是半橋電路發(fā)生上下管直通現(xiàn)象，將會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性。如果關(guān)斷電阻太小，可能會(huì)導(dǎo)致器件在關(guān)斷時(shí)由于di/dt過(guò)高造成較大的Vce電壓尖峰，導(dǎo)致器件損壞。因此，在選擇柵極電阻時(shí)需要在開(kāi)關(guān)速度和可靠性之間進(jìn)行權(quán)衡。在IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)中，圖6為指定測(cè)試條件下，IGBT開(kāi)關(guān)損耗和柵極電阻的關(guān)系曲線，也可供設(shè)計(jì)者參考。但是為保證柵極電阻的選值真正適用于實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用，最終應(yīng)在實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖5

圖6

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Q

IGBT器件柵極電壓波形振蕩產(chǎn)生的原因？

A：在電力電子應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)看到柵極電壓波形振蕩現(xiàn)象。如圖7所示，驅(qū)動(dòng)電流Ig流經(jīng)驅(qū)動(dòng)回路的柵極電阻Rg，寄生電感Lp和IGBT器件的寄生電容Cge, 形成諧振電路，在激勵(lì)作用下，振蕩就會(huì)發(fā)生。為了避免或抑制振蕩發(fā)生，最重要的一點(diǎn)就是，優(yōu)化PCB驅(qū)動(dòng)回路布局，減小驅(qū)動(dòng)回路的寄生電感Lp。一方面可以縮短走線長(zhǎng)度，使柵極回路盡可能短，通?？梢詼p少1nH/mm的寄生電感。當(dāng)IGBT器件有Kelvin emitter 管腳時(shí)如圖8所示，驅(qū)動(dòng)回路的返回端可以選擇連接Kelvin emitter 管腳。

圖7

圖8

在設(shè)計(jì)中，有時(shí)由于幾何結(jié)構(gòu)原因無(wú)法實(shí)現(xiàn)以上優(yōu)化方式時(shí)，可以使用較大的柵極電阻，增加驅(qū)動(dòng)回路的阻尼效應(yīng)，也可以抑制柵極振蕩。只是增加?xùn)艠O電阻會(huì)降低效率，還可能造成開(kāi)關(guān)過(guò)程中更長(zhǎng)的延遲時(shí)間，因此應(yīng)謹(jǐn)慎選擇電阻取值。另外，如果PCB空間允許，柵極電阻應(yīng)盡可能的靠近IGBT器件的柵極管腳。

Q

對(duì)于IGBT器件的最小開(kāi)通時(shí)間是多少？

A：在IGBT或二極管芯片剛開(kāi)始開(kāi)通時(shí)，不會(huì)立即充滿載流子，在載流子擴(kuò)散時(shí)關(guān)斷IGBT或二極管芯片，與載流子完全充滿后關(guān)斷相比，電流變化率dIc/dt或dIF/dt可能會(huì)增加。由于di/dt升高，加上換流雜散電感的作用，IGBT在關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生更高的電壓過(guò)沖，也可能引起二極管反向恢復(fù)電流增加，進(jìn)而導(dǎo)致“Snap off”現(xiàn)象。是否會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要與芯片技術(shù)，電壓和負(fù)載電流有關(guān)。需要注意的是，不同的器件在開(kāi)通過(guò)程表現(xiàn)出的電壓過(guò)沖現(xiàn)象是不同的，也就是說(shuō)對(duì)于最小開(kāi)通時(shí)間的影響沒(méi)有統(tǒng)一的定論。在應(yīng)用中，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整IGBT器件的最小開(kāi)通時(shí)間。

Q

IGBT器件可以承受反壓?jiǎn)?？反向阻斷電壓能力與Vce擊穿電壓是否有關(guān)？

A:如圖9所示，與MOSFET相比，IGBT器件本身不含體二極管，所以IGBT器件只能在一個(gè)方向上流過(guò)電流，即從集電極方向到發(fā)射極方向，因此IGBT器件應(yīng)避免承受反向電壓。由于大部分工業(yè)應(yīng)用都是感性負(fù)載，所以必要時(shí)需要在IGBT芯片旁邊反并聯(lián)一個(gè)二極管芯片，或者直接選擇一個(gè)具有集成二極管芯片的IGBT器件。例如采用600V TRENCHSTOP Performance新技術(shù)的IGBT器件，主要應(yīng)用于工業(yè)驅(qū)動(dòng)，太陽(yáng)能逆變器和大型家用電器等，我們分別提供帶并聯(lián)二極管和不帶并聯(lián)二極管的IGBT器件，如圖10所示。

圖9

圖10

Q

如何計(jì)算IGBT器件的工作結(jié)溫Tvj？

A：根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，熱阻Zth(j-c)為IGBT器件在瞬態(tài)脈沖時(shí)的值，可以參考數(shù)據(jù)手冊(cè)的瞬態(tài)熱阻曲線如圖11所示。Ptot為IGBT器件的總損耗，包括開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。單個(gè)周期的開(kāi)關(guān)損耗可以通過(guò)測(cè)試得到IGBT器件開(kāi)關(guān)波形，進(jìn)行電壓電流乘積后積分得到。Tc為IGBT器件的殼溫。最終計(jì)算出來(lái)的IGBT器件的工作結(jié)溫Tvj不能超過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最高工作結(jié)溫Tvjmax，如圖12所示。

圖11

圖12

Q

在選擇IGBT器件的柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，如何計(jì)算IGBT器件需要驅(qū)動(dòng)芯片提供的最大峰值電流Ipeak？

A：在選擇柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，一個(gè)重要的參數(shù)就是驅(qū)動(dòng)器的最大峰值電流Ipeak。該參數(shù)可以通過(guò)以下公式來(lái)進(jìn)行估算：

式中，Ipeak為驅(qū)動(dòng)器必須提供的峰值電流（A）；UGE,max為用于開(kāi)通IGBT的正柵極電壓（V）；UGE,min為用于關(guān)斷IGBT的負(fù)柵極電壓（V）或0；RGint為IGBT內(nèi)部的柵極電阻（Ω）；RGext為IGBT外部的柵極電阻（Ω）。

0.7為實(shí)際應(yīng)用中計(jì)算峰值電流的校正因數(shù)。如果IGBT驅(qū)動(dòng)器外部增加了柵-射極電容Cge_ext, 采取的近似方法是將這個(gè)電容等效為內(nèi)部柵極電阻短路，即RGint可設(shè)置為0。如果采用不同的柵極電阻Rgon和Rgoff, 那么所需的峰值電流由較小的電阻確定，然后再選擇柵極驅(qū)動(dòng)器。

Q

如何理解IGBT模塊的數(shù)據(jù)手冊(cè)中短路電路SC數(shù)據(jù)的含義？

A：如圖13所示，短路時(shí)間tp表示多長(zhǎng)時(shí)間的短路會(huì)對(duì)IGBT器件產(chǎn)生影響，IGBT的短路特性通常與幾個(gè)參數(shù)有關(guān)，驅(qū)動(dòng)電壓Vge，直流母線電壓Vcc及集-射極電壓Vce， 短路時(shí)間tp，結(jié)溫Tvj，和IGBT技術(shù)。圖14為短路測(cè)試的電壓電流波形示意圖。需要注意的是，短路時(shí)間tsc只適用于數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定的條件。如果IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓Vge越高，會(huì)導(dǎo)致短路電流越大；如果直流母線電壓越高，則短路期間所累積的能量越高；如果起始結(jié)溫Tvj越高，則IGBT短路時(shí)的結(jié)溫也會(huì)越高。上述因素都會(huì)導(dǎo)致IGBT所能承受的短路時(shí)間縮短。如果實(shí)際短路時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)損壞IGBT器件。數(shù)據(jù)手冊(cè)中只是給出了一個(gè)在指定條件下的最大短路時(shí)間作為參考。

英飛凌 IGBT7器件提供從短路能力的降額曲線

圖13

圖14

Q

對(duì)于壓接裝配的Easy/Econo系列的IGBT模塊是否可以選擇焊接方式？

A:根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60068 系列標(biāo)準(zhǔn) Section 2 (260°C <= 10s)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定模塊的焊接溫度為260℃，焊接時(shí)間最長(zhǎng)為10秒。在焊接過(guò)程中，不得超過(guò)223℃的最大允許外殼溫度。關(guān)于更多的詳細(xì)焊接要求，可參考英飛凌應(yīng)用指南AN2005_06。

Q

對(duì)于TO247封裝IGBT單管的CTI值是多少？

A:在IGBT單管應(yīng)用的PCB layout設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常會(huì)參考CTI值來(lái)確定爬電距離。通常情況下，IGBT單管封裝的模具化合物屬于II類材料（CTI為400-600V），無(wú)法保證具體的CTI值，可以確定的是對(duì)于IGBT器件TO247封裝的CTI值范圍為400-600。對(duì)于IGBT模塊的CTI值，可以在對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)中進(jìn)行查看，如圖15。