IGBT的动态特性及静态特性的研究.docx
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IGBT的动态特性及静态特性的研究
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、死区时刻、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开关时刻参数，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。
该电阻值应该被当做总的栅极电阻的一部份来计算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，电阻值会阻碍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取得，其中栅极电阻值为内部及外部之和。
事实上，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。
若是驱动器的驱动能力不够，IGBT的开关性能将会受到严峻的阻碍。
最小的Rgon由开通di/dt限制，最小的Rgoff由关断dv/dt限制，栅极电阻过小容易致使震荡乃至造成IGBT及二极管的损坏。
Cge：
外部栅极电容：
高压IGBT一样推荐外置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阻碍的开通损耗。
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以下图所示。
输入电容Cies及反馈电容Cres是衡量栅极驱动电路的全然要素，输出电容Coss限制开关转换进程的dv/dt，Coss造成的损耗一样能够被忽略。
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，如以下图所示。
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的转变近似为常量。
CCG的值强烈依托于VCE的值，并可由下式估算出：
IGBT所需栅极驱动功率可由下式取得：
或
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，驱动电路必需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取得，如下式：
其中的QG为设计中实际有效的栅极电荷，依托于驱动器输出电压摆幅，可通过栅极
IGBT开关时刻参数电荷曲线进行较精准的近似。
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’能够从上图中获取。
工业应用设计中，典型的关断栅极电压常被设置为0V或-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，那么所需的驱动功率为：
IGBT开关时刻参数：
开通延迟时刻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，这一段时刻被概念为开通延迟时刻。
开通上升时刻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，这一段时刻被概念为开通上升时刻。
关断延迟时刻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，这一段时刻被概念为关断延迟时刻。
关断下降时刻tf：
关断时，集电极电流由开通值的90%下降到10%之间的时刻。
开关时刻的概念由以下图所示：
因为电压的上升下降时刻及拖尾电流没有制定，上述开关时刻参数无法给出足够的信息用来获取开关损耗。
因此，单个脉冲的能量损耗被单独给出，单个脉冲开关损耗可由以下积分公式取得：
单个脉冲的开关时刻及能量参数强烈地依托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。
因此，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取得较为精准的值。
针对半桥拓扑电路，可依照手册里的开关时刻参数，设置互补的两个器件在开通及关断时的死区时刻。
IGBT静态参数
VCES：
集电极-发射极阻断电压
在可利用的结温范围内栅极-发射极短路状态下，许诺的断态集电极-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。
降低幅度与温度转变的关系可由下式近似描述：
.模块及芯片级的VCES对应平安工作区由以下图所示：
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在任何条件下都不许诺超出，不然IGBT就有可能被击穿。
Ptot：
最大许诺功耗
在Tc=25°C条件下，每一个IGBT开关的最大许诺功率损耗，及通过结到壳的热阻所许诺的最大耗散功率。
Ptot可由下面公式取得：
。
MaximumratingforPtot
二极管所许诺的最大功耗可由相同的方式计算取得。
ICnom：
集电极直流电流
在可利用的结温范围内流过集电极-发射极的最大直流电流。
依照最大耗散功率的概念，能够由Ptot的公式计算最大许诺集电极电流。
因此为了给出一个模块的额定电流，必需指定对应的结和外壳的温度，如以下图所示。
请注意，没有规定温度条件下的额定电流是没成心义的。
Specifiedasdatacode:
FF450R17ME3
在上式中Ic及VCEsat@Ic都是未知量，只是能够在一些迭代中取得。
考虑到器件的容差，为了计算集电极额定直流电流，能够用VCEsat的最大值计算。
计算结果一样会高于手册值，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
最大许诺的集电极峰值电流（Tj≤150°C），IGBT在短时刻内能够超过额定电流。
手册里概念为规定的脉冲条件下可重复集电极峰值电流，如以下图所示。
理论上，若是概念了过电流持续时刻，该值可由许诺耗散功耗及瞬时热阻Zth计算取得。
但是那个理论值并无考虑到绑定线、母排、电气连接器的限制。
因此，数据手册的值相较较理论计算值很低，可是，它是综合考虑功率模块的实际限制规定的平安工作区。
RBSOA：
反偏平安工作区
该参数描述了功率模块的IGBT在关断时的平安工作条件。
若是工作期间许诺的最大结温不被超过，IGBT芯片在规定的阻断电压下可差遣两倍的额定电流。
由于模块内部杂散电感，模块平安工作区被限定，如以下图所示。
随着互换电流的增加，许诺的集电极-发射极电压需要降额。
另外，电压的降额专门大程度上依托于系统的相关参数，诸如DC-Link的杂散电感和开关转换进程换流速度。
关于该平安工作区，假定采纳理想的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取得。
Reversebiassafeoperatingarea
Isc：
短路电流
短路电流为典型值，在应用中，短路时刻不能超过10uS。
IGBT的短路特性是在最大许诺运行结温下测得。
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取得，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，不包括导线电阻。
VCEsat随着集电极电流的增加而增加，随着Vge增加而减少。
Vge不推荐利用过小的值，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，切线的点应尽可能靠近工作点。
关于SPWM操纵方式，导通损耗可由下式取得：
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