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IGBT模块静态参数可全面评估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IGBT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。

已知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 = C GE + C GC：输入电容（输出短路）Coss = C GC + C EC：输出电容（输入短路）Cres = C GC：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
Q G：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Q G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Q G’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：.模块及芯片级的VCES对应安全工作区由下图所示：
Collector-emitter 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。

•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。

•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25o C及125o C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：。