IGBT模块参数详解.docx

1、IGBT模块参数详解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25C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：.igbt8./jc/19.htmlCollector-emitter voltage of the IGBT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

2、超出，否则IGBT就有可能被击穿。Ptot：最大允许功耗在Tc=25C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: FF45

3、0R17ME3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（Tj150C），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

4、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 bi

5、as safe operating areaIsc：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。V

6、CEsat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部分来计算IGBT驱动器的峰值电流能力。RGex

7、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：

8、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 = 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

9、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

10、，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

11、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

12、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，IGBT必须被关断以避免损坏。文章来源：.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

13、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

14、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

15、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。RJC(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。RJC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RJC值。RCS(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

16、类型和厚度以及与散热器的安装方式有关。RSA(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。Thermal resistance IGBT, junction to case and case to heat sink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

17、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RJC时饱和。Transient Thermal Impedance of IGBTChanges in junction temperature respect to conduction time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) Transient thermal impedance

18、junction to case and b) transient thermal modelIGBT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

19、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RJA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

20、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1700V IGBT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

21、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%。Insulation test voltage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。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，

22、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L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模块部杂散电感值如下图所示，取决于IGBT的拓扑结构。Module stray inductance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。Module lead resistance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DC stability (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。