IGBT單管參數(shù)解析-上

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(cè)，對(duì)手冊(cè)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。

英飛凌的IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)通常包含以下內(nèi)容：

1. 封面，包括器件編號(hào)，IGBT技術(shù)的簡(jiǎn)短描述，如果是帶共封裝續(xù)流二極管的器件，數(shù)據(jù)手冊(cè)也會(huì)包括二極管的功能，關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)用以及基本的封裝信息。
2. 最大額定電氣參數(shù)和IGBT熱阻/二極管熱阻
3. 室溫下的電氣特性，包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)
4. 25°C和150°C或175°C時(shí)的開關(guān)特性
5. 電氣特性圖表
6. 封裝圖
7. 關(guān)鍵參數(shù)的定義圖
8. 修訂歷史

1.英飛凌IGBT的命名

參考已有公眾號(hào)文章《英飛凌IGBT單管命名規(guī)則》

2.最大額定值

集電極-發(fā)射極電壓VCE

該值定義了基于IGBT大規(guī)模生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)分布的最低擊穿電壓極限。此外，它定義了在結(jié)溫為25℃時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓，超過這個(gè)極限就會(huì)導(dǎo)致器件的壽命縮短或器件失效。一般來說該值隨結(jié)溫的降低而降低。該值也可由數(shù)據(jù)手冊(cè)靜態(tài)特性部分規(guī)定的參數(shù)ICES來驗(yàn)證。

集電極直流電流IC

IC定義為集電極-發(fā)射極直流電流值，在起始?xì)?TC （通常為25°C或100°C）時(shí)，通流并導(dǎo)致IGBT達(dá)到最大結(jié)溫 Tvjmax 。 TC =100°C時(shí)的數(shù)值通常被用作器件的額定電流和器件的名稱。

IC由下述公式得到：

參考《IGBT的電流是如何定義的》

集電極瞬態(tài)電流ICplus

ICplus被定義為開啟和關(guān)閉時(shí)的最大瞬態(tài)電流。理論上，它受到特定時(shí)間內(nèi)的功率耗散的限制，這使得器件可以在 Tjmax ≤175°C的最大結(jié)溫限制內(nèi)運(yùn)行。然而，還有一些其他的限制，例如鍵合線配置、可靠性考慮以及避免IGBT閂鎖的余量。對(duì)于最近推出的IGBT，它的瞬態(tài)電流通常是額定電流的3~4倍，以保持高水平的可靠性以及使用壽命。

此外，這個(gè)值也定義了SOA中的電流限制。

共封裝續(xù)流二極管電流IF和瞬態(tài)電流IFplus

與集電極瞬態(tài)電流ICplus和集電極瞬態(tài)電流ICplus的定義相同，用于定義共封裝續(xù)流二極管正向持續(xù)電流IF和二極管瞬態(tài)電流IFplus

柵極-發(fā)射極電壓VGE

該參數(shù)定義了最大的柵極電壓。第一種是靜態(tài)電壓，對(duì)應(yīng)的是在不損壞器件本身的情況下連續(xù)工作的柵極電壓最大值。第二種為瞬態(tài)電壓，對(duì)應(yīng)于瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)的最大值，可以應(yīng)用在柵極上而不引起損壞或退化。如果柵極上的電壓應(yīng)力意外地高于指定值，可能會(huì)立即發(fā)生故障，也可能導(dǎo)致柵極氧化物退化，從而引起后續(xù)的故障。

耗散功率Ptot

Ptot描述了器件允許的最大功率耗散，與IGBT的芯片結(jié)到外殼的熱阻相關(guān)，可以通過下述公式計(jì)算：

?T定義為芯片結(jié)到外殼的溫度差*，?T=Tvjmax-TC*

運(yùn)行結(jié)溫Tvj

這個(gè)參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)極為重要。盡管一旦超過極限，器件可能不會(huì)立即失效，但將導(dǎo)致器件的退化和使用壽命的縮短。

熱阻*Rth(j-c)* **

熱阻表征了功率半導(dǎo)體在穩(wěn)定狀態(tài)下的熱行為。相應(yīng)地，瞬態(tài)熱阻抗 Zth(j-c) 描述了器件在瞬態(tài)下的熱行為。IGBT/二極管的外殼被定義為整個(gè)器件的引線框架。FullPAK封裝器件，中間的引腳被視為外殼。數(shù)據(jù)手冊(cè)中所述的最大值考慮到了大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的公差，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，需要使用該數(shù)值。

芯片結(jié)到外殼的熱阻 Rth(j-c) 是確定半導(dǎo)體器件熱行為的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。然而，在任何設(shè)計(jì)中，將一個(gè)產(chǎn)品的熱阻值同另一個(gè)產(chǎn)品的熱阻值直接比較是不夠的。如下圖所示，在電源系統(tǒng)的熱耗散路徑中，芯片結(jié)到環(huán)境的熱阻 Rth(j-a) 起著最重要的作用，因?yàn)樗鼪Q定了工作條件下的熱限制。它由外殼到環(huán)境的熱阻 Rth(c-h) + Rth(h-a) 和從結(jié)到外殼的熱阻 Rth(j-c) 組成。在大多數(shù)情況下，熱界面材料、絕緣墊片和散熱器的熱阻在 Rth(j-a) 中占主導(dǎo)地位。對(duì)于IKW40N65H5， Rth(j-c) 最大值為0.6K/W。典型的熱界面材料（TIM）和絕緣墊片的熱阻值可能低至1K/W，而散熱器對(duì)環(huán)境的熱阻可能從強(qiáng)制通風(fēng)的1K/W到不通風(fēng)的幾十K/W。因此，與總的 Rth(j-a) 相比， Rth(j-c) 的影響只在個(gè)位數(shù)百分比到幾十個(gè)百分比之間。

“

3. 靜態(tài)特性

集電極-發(fā)射極擊穿電壓V(BR)CES

該參數(shù)定義了特定漏電流下的最小擊穿電壓。本例以IKW40N65H5為例，定義V(BR)CES時(shí)使用的漏電流 IC =0.2mA，不同的芯片尺寸以及不同的IGBT技術(shù)標(biāo)定時(shí)使用的漏電流都有所不同。集電極-發(fā)射極擊穿電壓隨芯片結(jié)溫變化。通常，對(duì)于大多數(shù)英飛凌IGBT產(chǎn)品來說，它是一個(gè)正的溫度系數(shù)。

集電極-發(fā)射極飽和電壓VCEsat

VCEsat代表額定電流流過IGBT時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的電壓降。它通常在15V柵極電壓以及幾個(gè)不同芯片結(jié)溫下定義。

一般英飛凌最新的IGBT，VCEsat顯示出正的溫度系數(shù)，這樣的特性有利于IGBT在高功率應(yīng)用中的并聯(lián)，電流會(huì)在并聯(lián)器件之間自動(dòng)均流。

• 二極管正向電壓VF

二極管正向電壓VF是指二極管在導(dǎo)通模式下的電壓降。在數(shù)據(jù)手冊(cè)的圖表中，給出了典型的VF與溫度的關(guān)系，如下圖所示。請(qǐng)注意，二極管在額定電流下，通常具有輕微的負(fù)溫度系數(shù)的特點(diǎn)。

• 柵極-發(fā)射極閾值電壓VGE(th)

該參數(shù)表示可以啟動(dòng)集電極到發(fā)射極電流的最小柵極電壓。一般來說，該電壓隨著芯片結(jié)溫的升高而降低，這意味著 VGE(th) 擁有負(fù)溫度系數(shù)，在并聯(lián)使用時(shí)，需要仔細(xì)考慮這一點(diǎn)。

漏電流ICES和IGES

這些參數(shù)表示集電極和發(fā)射極之間的漏電流 （ICES) 和柵極和發(fā)射極之間的漏電流 (IGES) 的上限。它們通常由技術(shù)、生產(chǎn)和工藝決定。ICES與擊穿電壓相關(guān)。當(dāng)器件處于關(guān)斷模式，在集電極和發(fā)射極之間施加電壓時(shí)，ICES在IGBT中流過，它引入了靜態(tài)損耗。為了減少這些損耗的影響，ICES必須盡可能地保持低，低漏電流值也有助于提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

跨導(dǎo)gfS

跨導(dǎo)gfS代表了根據(jù)柵極電壓變化而產(chǎn)生的電流變化。如下圖所示，在50A的集電極電流和175°C的Tvj溫度條件下，綠色線的斜率正好是跨導(dǎo)21。

未完待續(xù)，動(dòng)態(tài)特性及開關(guān)特性敬請(qǐng)期待下篇。