热销产品
英飞凌IGBT模块应用笔记(3)
3.7 寄生电容
IGBT 的动态特性受寄生电容的影响。图9 所示为采用三个电容时的常见行为模式。图中所示的输入电容Cies 和反向传递电容Cres，有助于栅极驱动电路选型。输出电容Coss 限制了开关瞬态过程中的dV/dt，由此，在使用IGBT 的应用中，与Coss 有关的功率损耗通常可以忽略不计。
图9 IGBT 的寄生电容
3.7.1 测定电路
寄生电容值严重依赖于IGBT 的工作点（即，取决于电压）。为了测定偏压栅极或集电极-发射极电压条件下的这些电容，采用了下列测定电路（请参见图10）。
输入电容Cies（图10a）：
输入电容Cies（图10a）：
在偏压集电极-发射极电压为典型值25V 的条件下，测定输入电容Cies。通常将栅极-发射极电压设置为零。借助感应器，使栅极-发射极电压源输出的交流电流，远离电容电桥。
输出电容Coss（图10b）：
在偏压集电极-发射极电压条件下，测定输出电容Coss。借助感应器，使集电极-发射极电压源输出的交流电流，远离电容电桥.
反向传递电容Cres（图10c）：
在偏压集电极-发射极电压为典型值25V 的条件下，测定反向传递电容Cres。通常将栅极-发射极电压设置为零。借助感应器，使栅极-发射极和集电极-发射极电压源输出的交流电流，远离电容电桥。
图10 用于测定输入电容Cies（a）、输出电容Coss（b）和反向传递电容Cres（c）的基本电路图
3.7.2 栅极电荷Qg 和栅极电流
栅极电荷值，有助于设计栅极驱动电路。可以根据栅极电荷、栅极驱动电压和开关频率等数据，计算出栅极驱动电路必须实现的平均输出功率（等式（5））。
以10 kHz 和15 V 正负栅极驱动电压为例，可以利用等式（6），计算出所要求的栅极驱动电路输出功率。（图11）
图15 开关时间和功率损耗（摘自数据表）
图16 每个脉冲造成的功率损耗，随集电极电流和栅极电阻而变化的情况（摘自数据表）
图11 栅极电荷和内置栅极晶体管（摘自数据表）
根据栅极驱动电压和栅极电阻，可以计算出理论上的栅极驱动峰值电流。栅极电阻阻值是外部和内部栅极驱动电阻之和（等式（7），图11）：
事实上，由于受限于实际栅极驱动电路的杂散电感和非理想开关瞬态过程，这个峰值电流是实现不了的。
3.7.3 寄生导通效应
根据数据表中标示的IGBT 的寄生电容，可以分析dV/dt 引起的寄生导通现象。可能的寄生导通现象，是由集电极-栅极和栅极-发射极之间的固有容性分压器引起的（请参见图9）。考虑到集电极-发射极上的较高瞬态电压，这个固有的容性分压器比受限于寄生电感的外接栅极驱动电路快得多。因此，即使栅极驱动器关断了IGBT，即，在零栅极-发射极电压状态下，瞬态集电极-发射极电压也会引起与驱动电压不相等的栅极-发射极电压。忽略栅极驱动电路的影响，可以利用以下等式，计算出栅极-发射极电压：
因此，商数Cres/Cies 应当尽可能低，以避免dV/dt 引起寄生导通现象（商数约为35，请参见图12）。此外，输入电容应当尽可能低，以避免栅极驱动损耗。
图12 IGBT 的寄生电容（摘自数据表）
数据表中给出的寄生电容是在恒定的25 V 集电极-发射极电压条件下的值（请参见图12）。栅极-发射极电容约为该恒定集电极-发射极电压条件下的值（等式（9））。反向传递电容严重依赖于集电极-发射极电压，可以利用等式（10）估算得到（请参见图13）：
图13 利用等式（9）和（10）计算得到的不同集电极-发射极电压条件下的输入和反向传递电容近似值
所以，防止dV/dt引起的寄生导通现象的稳定性，随集电极-发射极电压的升高而增强（请参见等式（8））。低阻抗（即，低杂散电感）栅极驱动电路，也可最大限度地降低发生寄生导通事件的风险。
3.8 开关时间
数据表中给出的开关时间，为确定半桥配置中的互补器件的接通与关断之间的恰当空载时间，提供了有用信息。关于设置恰当的空载时间的更多信息，请参阅参考资料[1]。数据表中给出的开关时间的定义如下，如图14中的示意图所示。
接通延时（td on）：10%栅极-发射极电压，至10%集电极电流
升高时间（tr）：10%集电极电流，至90%集电极电流
关断延时（td off）：90%栅极-发射极电压，至90%集电极电流
下降时间（tf）：90%集电极电流，至10%集电极电流
开关时间不能提供关于开关损耗的可靠信息，因为电压升高时间和下降时间以及电流拖尾均未确定。因此，每个脉冲造成的功率损耗需单独确定。
图14 开关波形示意图以及开关时间和功率损耗定义
在数据表中，将每个脉冲造成的开关损耗定义为如下积分：
积分范围t1 和t2 为：
每个脉冲造成的接通功率损耗（Eon）：10%集电极电流，至2%集电极-发射极电压
每个脉冲造成的关断功率损耗（Eoff）：10%集电极-发射极电压，至2%集电极电流
这样，开关时间和每个脉冲造成的功率损耗，严重依赖于多种不同的针对特定应用的工作条件，如栅极驱动电路、布局、栅极电阻、开关电压和电流以及结温等。因此，数据表中的值仅为表明电源模块的开关性能。如需更加精确的值，则有必要考虑针对特定应用的参数，进行详尽的模拟，或进行试验研究。
通常，按照正常工作条件，确定不同温度下的开关时间和每个脉冲造成的功率损耗（图15）。通过确定每个脉冲造成的功率损耗，随集电极电流和栅极电阻而变化的情况（图16），可以表明在典型工作条件下的开关性能。
图15 开关时间和功率损耗（摘自数据表）
图16 每个脉冲造成的功率损耗，随集电极电流和栅极电阻而变化的情况（摘自数据表）
3.9 短路
短路特性严重依赖于针对特定应用的参数，如结温、杂散电感、栅极驱动电路和短路电阻等。为了确定器件的短路特性，使用了如图17a 所示的试验设置。其中，一个IGBT 短路，而另一个IGBT 则由一个脉冲驱动。相应的典型电压和电流波形如图17b 所示。处于导通状态的IGBT 中的电流，以一个取决于寄生电感和DC-Link 电压的电流斜率，快速增加。由于IGBT 的饱和压降低，该电流的最高值不超过标称电流的5 倍左右（对于IGBT3），而集电极-发射极电压则保持在高电平。在这个短路过程中，受较高电流及由此引起的功率损耗的影响，芯片温度升高。由于芯片温度的升高，在短路状态下工作时电流略有降低。在规定的时间tp，IGBT 被关断，以避免器件故障。
图17 短路试验设置（a）和短路试验过程中的典型电压/电流波形（b）
在短路试验中测得的数据和所采用的参数均在数据表中注明（请参见图18）。
图18 短路数据（摘自数据表）
3.10 泄漏电流ICES 和IGES
必须考虑两种主要的泄漏电流。当IGBT 处于闭锁模式时，集电极-发射极截止电流值，确保了泄漏电流的上限。在最高栅极-发射极电压条件下，测得栅极-发射极泄漏电流。当超出这个值时，栅极氧化层将发生故障，引起器件故障。
上海菱端电子科技有限公司：
联系人：夏小姐
服务热线：021-58979561
业务咨询qq：447495955
业务咨询qq：1852433657
业务咨询qq：513845646
技术支持qq：313548578
技术交流群：376450741
业务咨询:
业务咨询:
业务咨询:
技术支持:
媒体合作:
图19 泄漏电流（摘自数据表）
3.11 热特性
如果不规定温度以及热阻，第3.2 节和第3.3 节中讨论的功率损耗值和额定电流值是没有意义的。因此，为了比较不同的器件，还有必要比较其热特性。关于结温的定义的信息，请参阅参考资料[3]和参考资料[2]中讨论的热模拟。下面探讨了一些相关方面，以便设计者更加深刻地理解数据表中的参数的含义。
在标示采用平板基板或分立式器件的电源模块的特性时，将注明结温、壳温和散热器温度。本文所讨论的电源模块采用了具备针翅结构的基板，通过冷却液进行散热。因此，冷却液温度相当于通常定义的散热器温度。所以，数据表中规定了结到冷却液热阻（图20），由此，这个值取决于冷却剂及流速（图21a）。
图20 IGBT 的结到冷却液热阻（摘自数据表）
请注意，在比较不同电源模块的性能时，必须考虑其结到冷却液热阻或结到散热器热阻。
图21 热阻（a）和瞬态结到冷却液热阻（b）（摘自数据表）
该电源模块由具备特定的热容和热阻的不同材料构成。因此，当频率较高时，热阻低于静态热阻。热阻的模型如图22 所示。数据表中标示了这个热阻模型的系数（图21b），由此，可以利用如下等式，计算出热容值：
图22 瞬态热阻模型
服务热线：021-58979561
业务咨询qq：447495955
业务咨询qq：1852433657
业务咨询qq：513845646
技术支持qq：313548578
技术交流群：376450741
业务咨询:
业务咨询:
业务咨询:
技术支持:
媒体合作:
沪ICP备09068927号 igbt8.com版权所有 Copyright 2008-2018
URL：http://www.igbt8.com qq:1852433657 欢迎加入IGBT技术交流群：376450741
技术支持： IGBT应用技术网
URL：http://www.igbt8.com qq:1852433657 欢迎加入IGBT技术交流群：376450741
技术支持： IGBT应用技术网