IGBT模块参数详解之欧阳总创编.docx
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IGBT模块参数详解之欧阳总创编
IGBT模块参数详解一-IGBT静态参数
∙
时间：
2021.02.13
创作：
欧阳总
∙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：
文章来源：
Collector-emittervoltageoftheIGBT
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：
。
MaximumratingforPtot
二极管所允许的最大功耗可由相同的方法计算获得。
∙ICnom：
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。
Specifiedasdatacode:
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DCLink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DCLink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。
Reversebiassafeoperatingarea
∙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
uS。
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oC及oC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
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
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，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短路性能：
IGBT模块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若干倍（取决于IGBT的结构特性），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内，IGBT必须被关断以避免损坏。
文章来源：
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与驱动内部电阻，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，那么就可能造成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，米勒电容分压器反应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。
为了避免栅极驱动的损耗，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，为了比较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内部的结温升高，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达到热平衡时，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内部框架材料。
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，该散热器可以达到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结构、表面积、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范如下图所示，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，大部分IGBT实际应用是以一定的占空比进行开关动作。
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。
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。
TransientThermalImpedanceofIGBT
Changesinjunctiontemperaturerespecttoconductiontime
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）transientthermalmodel
IGBT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合适的系数进行建模，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。
规格书包含了部分分数系数，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内IGBT及二极管的热阻关系如下图所示：
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：
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，即使相同的功耗，不同的工作频率会导致Tj较大的偏差，若要获得详细仿真结果，可由器件供应商的仿真软件仿真得到。
IGBT模块参数详解五-模块整体参数
该部分描述与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模块设计至少可达到IEC61140标准的等级1，对于内部带有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。
合适的绝缘电压取决于IGBT的额定集电极-发射极电压，对于1700VIGBT模块大部分应用需要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，如果客户需要重复测试，则建议降额值最初值的85%。
Insulationtestvoltage
高压模块也同样采用标准IEC1287进行局部放电试验，保证长时间工作可靠性。
上图所示规格书中的绝缘耐压测试应该在IGBT模块的可靠性测试之前及之后进行，可作为该压力测试下的部分失效判据。
内部NTC的绝缘只是满足一个功能性隔离要求。
在栅极驱动电路失效时，绑定线有可能由于失效事件改变位置，移动的绑定线或者失效过程电弧放电产生的等离子有可能与NTC接触。
因而，如果有对绝缘能力有更高的要求，需要额外增加外部绝缘隔板。
杂散电感Lδ
杂散电感在开关转换时会导致浪涌电压，为主要的EMI来源。
同时，结合组件的寄生电容形成谐振电路，从而使电压及电流在开关瞬间震荡。
有杂散电感产生的瞬间过压可由下式计算，因此为了减少关断瞬间的过压，杂散电感应该设计成最小。
规格书中的IGBT模块内部杂散电感值如下图所示，取决于IGBT的拓扑结构。
Modulestrayinductance
主端子电阻：
IGBT模块主端子的电阻会进一步造成压降及损耗。
手册里规定的单个开关功率端子的电阻值如下图，该值是指功率端子到芯片之间连接部分阻值。
主端子产生的损耗会直接加到模块的外壳上。
Moduleleadresistance
根据下图模块端子电阻的等效电路
可以得到整个模块主端子的电阻为
DCstability（VCED）
对于高压模块，宇宙射线的影响会更加严重，规格书规定了会产生可忽略的失效率100fit情况下的直流电压值，如上图所示。
直流稳定电压是在室温及海平面下测得，不建议设置直流电压超过VCED。
时间：
2021.02.13
创作：
欧阳总
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