英飞凌IGBT模块应用笔记(2)

3 数据表参数——IGBT

3.1 集电极-发射极电压VCES

规定的允许峰值集电极-发射极电压是25°C 结温条件下的值（请参见图1）。这个值随着温度的降低而下降，系数约为：集电极-发射极电压VCES温度系数

图1 IGBT 的集电极-发射极电压（摘自数据表）

3.2 总功率损耗集电极-发射极电压Ptot

这个参数描述了下列情况下的最大功率损耗：

 如果电源模块采用了针翅（PinFin）结构（RthJF），冷却液温度（图2）

 如果电源模块采用了平板基板或未采用基板（RthJC），模块外壳温度

因此，一般而言，可以根据如下等式，计算出总功率损耗：

本文所讨论的的HybridPACK™2 IGBT模块是一个采用针翅结构的电源模块。功率损耗与结温和冷却液以及结与冷却液之间的热阻有关（等式（2））。在最高25°C 的冷却液温度范围内，规定的功率损耗为其最大值（等式（3））。随着冷却液温度的升高，功率损耗反而降低。

图2 Ptot 最高额定值（摘自数据表）

可以分别计算出二极管芯片的可能的功率损耗。然而，等式（2）和等式（3）必须使用二极管的结到冷却液热阻。

请注意，如果冷却液温度为25°C，则结温高于25°C。因此，看起来采用针翅结构的电源模块的额定电流，低于采用平板基板的电源模块的额定电流。但由于考虑了结到散热器热阻，针翅结构的优势变得显而易见。在第3.11 节，将更加详细地介绍电源模块的热性能。

3.3 集电极电流IC

根据总功率损耗，可以利用等式（4），计算出电源模块的最高额定集电极电流。这样，为了给出电源模块的额定电流，必须明确说明相应的结温和冷却液温度，例如图3 所示。请注意，不是在确定的温度条件下给出的额定电流，在技术上根本没有意义。
集电极电流IC

由于在等式（4）中，IC 是未知的，因此VCE sat @IC 也是未知的，但通过简单的迭代，即可计算得到[5]。额定集电极连续直流电流，是按VCE sat 最大值计算得到的，在考虑了元件容差的情况下，可确保规定的额定电流。

图3 集电极直流电流（摘自数据表）

3.4 重复性集电极峰值电流ICRM

在应用中，可以短时间超过标称额定电流。在数据表中，这个电流被定义为规定脉冲持续时间内的重复性集电极峰值电流（请参见图4）。理论上，如果过流状态的持续时间是确定的，则可以根据可能的功率损耗和热阻Zth，推导出这个值。然而，这个理论值并未考虑到任何焊接线、母线排和电源接头等等的限制。因此，相比于从理论上计算得到的值，数据表中给出的值相当低，但这个值阐明了在考虑到电源模块的所有实际局限性的情况下的可靠运行性能。

图4 重复性集电极峰值电流（摘自数据表）

3.5 反向偏压安全运行区域RBSOA

反向偏压安全运行区域是指，电源模块的IGBT 在关断时的安全运行条件。由于在开关过程中，未超过规定的最高结温，因此，在其规定的闭锁电压范围内，可以用最高两倍于其标称额定电流的驱动电流，驱动该芯片。归因于杂散电感，电源模块的安全运行区域是有限的。随着开关电流的提高，允许的集电极-发射极电压反而降低。此外，这种下降，严重依赖于与系统有关的参数，如DC-Link 电容器的杂散电感和开关瞬态过程中的换流斜率。假定，DC-Link 电容器非常适于在这个运行区域内工作。换流斜率则可根据规定的栅极电阻和栅极驱动电压来确定，如图5 中的试验参数所注明。

图5 反向偏压安全运行区域（摘自数据表）

3.6 典型输出和传递特性

典型输出和传递特性数据可用于计算IGBT 的传导损耗。为了有助于更加深刻地理解这些参数，简要探讨了IGBT 器件结构以及其与功率MOSFET 在输出特性上的区别。然后，解释了IGBT 模块的数据表参数。

3.6.1 IGBT 器件结构以及IGBT 与功率MOSFET 在输出特性上的区别

图6 沟道场终止IGBT 和双晶体管等效电路（a）。IGBT 与功率MOSFET 的输出特性之比较（b）。图6a 所示为搭载了简化的双晶体管等效电路的沟道场终止IGBT 的结构。当IGBT处于导通状态时，位于IGBT 的集电极侧的PNP 双极晶体管的PN 结，引起二极管电压降。IGBT 内在的双极晶体管被MOSFET 驱动。因此，栅极驱动特性与功率MOSFET 极为相似。但输出特性则有所不同，如图6b示意图所示。该图所示为，在两种不同的结温条件下，这两种器件在导通状态下的特性。

如图6b所示，归因于其内在的体二极管，在负的漏源电压的作用下，MOSFET处于反向导通状态。IGBT不具备体二极管，因此如果要求实现这种运行模式，就必须使用反向并联二极管。其优势是，可以针对IGBT，单独优化该外接二极管。

在导通状态下（即，正的漏源电压或集电极-发射极电压），这两种器件的主要区别是，MOSFET是一个单极器件，所产生的输出特性可以用电阻值（Rds(on)）来表示。较之于MOSFET，IGBT具备二极管电压降。因此，在极轻负载条件下（如图6b中的工作点1所示），MOSFET的传导损耗总是低于IGBT。
但输出特性取决于结温。通常，当结温从25°C升高至150°C时，MOSFET的通态电阻Rds(on)会增加约一倍。对比之下，IGBT的温度系数低得多。在轻负载条件下，由于PN结上的电压降较低，随着温度的升高，传导损耗甚至会降低（请参见图6b中电流值在工作点2以下的曲线）。当电流高于该值时，阻值的增加更为显著。归因于此，高电流IGBT电源模块可以并且通常要求并联若干个IGBT。

图6 沟道场终止IGBT 和双晶体管等效电路（a）。IGBT 与功率MOSFET 的输出特性之比较（b）

3.6.2 传递特性和输出特性（IGBT 数据表）

传递特性表明，随着结温的升高，导通阈值电压反而降低，如图7 所示。由于导通阈值电压远高于零，即使使用了零栅极驱动电压，较高结温也不会自动导通IGBT。

图7 典型传递特性（摘自数据表）

正如第3.6.1 节所讨论，IGBT 的输出特性取决于结温。图8a 所示为，在不同结温条件下，处于导通状态的IGBT 的集电极电流随集电极-发射极电压而变化的情况。当电流值低于约300 A 时，传导损耗随温度的升高而降低。当电流高于该值时，传导损耗略微增加。在本例中，在标称额定电流（800 A）条件下，传导损耗增加了15%左右，并且结温从25°C 升高至150°C。

图8 不同结温（a）和栅极-发射极电压（b）条件下的典型输出特性（摘自数据表）

图8b 所示为，不同栅极-发射极电压条件下的典型输出特性。IGBT 不应以线性模式运行，因为这会导致过高传导损耗。如果不限制功率损耗的值和时间，那么，该器件可能发生故障。将15 V 作为典型栅极驱动电压，只会在开关瞬态过程中，短暂地出现这样的线性模式，对IGBT 而言，这是正常工作条件。