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Aug . 2023

來自英飛凌開發者社區的10問10答——IGBT篇

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  作者簡介  

高銘,高級工程師,來自英飛凌技術支援中心團隊。 該團隊負責7*24小時解答英飛凌開發者論壇中使用者提出的技術問題,為客戶提供高效專業的技術支持和解決方案。

在IGBT器件的開通過程中,柵極電荷Qg的充電過程是怎樣的?

圖1

圖2

A:IGBT器件例如IKZA50N65EH7的數據手冊中如圖1所示,給出了柵極電荷Qg和柵極電壓Vge的關係。 圖2為IGBT器件簡化示意圖。 柵極電荷的充電過程可以分為以下三個區域。 在時間段AB之間電容Cge被充電,當柵極電壓Vge達到柵極閾值電壓Vgeth,IGBT器件開始工作。 在時間段BC,柵極的充電過程由反饋電容Cgc(也叫密勒電容)決定,這時,Vce電壓不斷降低,電流Igc通過Cgc給柵極放電,此時柵極電壓保持恆定,這種現象叫作密勒平臺。 在時間段CD,IGBT器件進入飽和,dVce/dt會下降到零,此時柵極電流Ig繼續給柵極-發射極電容Cge充電,柵極電壓繼續上升。

(關於米勒電容更多資訊,可參考文章:米勒電容、米勒效應和器件與系統設計對策

在實際應用中,如何確定IGBT器件外部柵極電阻的取值?

圖3

圖4

A:柵極驅動電阻阻值的選擇對IGBT的開關特性和開關損耗有很大的影響。 在IGBT的數據手冊中,如圖 3所示的開關損耗測試條件中柵極電阻 Rgon/Rgoff是重要的條件,它選取的原則為在規定的器件測試條件下的取值,比如Rgon的取值要保證在室溫和十分之一電流下不震蕩。

柵極電阻除了可以限制柵極的充放電電流,影響IGBT的開關速度之外,還有其他方面的影響,比如:增加驅動迴路的功率損耗; 降低電磁干擾; 防止柵極振蕩; 避免器件寄生開通等。 為了更好的發揮出IGBT器件開關性能的優勢,柵極驅動電路往往採用獨立的開通和關斷柵極電阻,如圖4所示。 關斷迴路串聯快恢復二極管,可以使柵極關斷電阻小於開通電阻,這主要是考慮對於某些功率器件來說,關斷延遲時間往往比開通延遲時間更長。

另一方面,考虑避免器件发生寄生开通,如图5所示,如果关断栅极电阻较大,IGBT在关断过程中,在高dv/dt和密勒电容Cgc作用下,根据公式:

圖5

圖6

IGBT的栅极电压将被抬高,一旦Vge电压高于门槛电压Vgeth,将引起IGBT器件寄生开通,如果是半桥电路发生上下管直通现象,将会影响系统的可靠性。如果关断电阻太小,可能会导致器件在关断时由于di/dt过高造成较大的Vce电压尖峰,导致器件损坏。因此,在选择栅极电阻时需要在开关速度和可靠性之间进行权衡。在IGBT数据手册中,图6为指定测试条件下,IGBT开关损耗和栅极电阻的关系曲线,也可供设计者参考。但是为保证栅极电阻的选值真正适用于实际系统应用,最终应在实际系统中进行实验验证。更多关于栅极电阻的选型及注意事项,可参考英飞凌应用指南AN2015-06,或以下微信文章??:

《IGBT驱动电流行为综述》

《IGBT驱动电流及驱动功率的计算》

IGBT器件柵極電壓波形振蕩產生的原因?

圖7

圖8

A:在电力电子应用中,经常会看到栅极电压波形振荡现象。如图7所示,驱动电流Ig流经驱动回路的栅极电阻Rg,寄生电感Lp和IGBT器件的寄生电容Cge, 形成谐振电路,在激励作用下,振荡就会发生。为了避免或抑制振荡发生,最重要的一点就是,优化PCB驱动回路布局,减小驱动回路的寄生电感Lp。一方面可以缩短走线长度,使栅极回路尽可能短,通常可以减少1nH/mm的寄生电感。当IGBT器件有Kelvin emitter 管脚时如图8所示,驱动回路的返回端可以选择连接Kelvin emitter 管脚。

在設計中,有時由於幾何結構原因無法實現以上優化方式時,可以使用較大的柵極電阻,增加驅動迴路的阻尼效應,也可以抑制柵極振蕩(關於柵極震蕩的發生條件,可參考文章《IGBT驅動電流行為綜述》)。 只是增加柵極電阻會降低效率,還可能造成開關過程中更長的延遲時間,因此應謹慎選擇電阻取值。 另外,如果PCB空間允許,柵極電阻應盡可能的靠近IGBT器件的柵極管腳。

對於IGBT器件的最小開通時間是多少?

A:在IGBT或二極管晶片剛開始開通時,不會立即充滿載流子,在載流子擴散時關斷IGBT或二極管晶元,與載流子完全充滿後關斷相比,電流變化率dIc/dt或dIF/dt可能會增加。 由於di/dt升高,加上換流雜散電感的作用,IGBT在關斷時會產生更高的電壓過沖,也可能引起二極體反向恢復電流增加,進而導致“Snap off”現象。 是否會產生這種現象主要與晶元技術,電壓和負載電流有關。 需要注意的是,不同的器件在開通過程表現出的電壓過沖現象是不同的,也就是說對於最小開通時間的影響沒有統一的定論。 在應用中,需要根據實際情況調整IGBT器件的最小開通時間。 更多資訊請參考《IGBT窄脈衝現象解讀》。

IGBT器件可以承受反壓嗎? 反向阻斷電壓能力與Vce擊穿電壓是否有關?

圖9

圖10

A:如圖9所示,與MOSFET相比,IGBT器件本身不含體二極體,所以IGBT器件只能在一個方向上流過電流,即從集電極方向到發射極方向,因此IGBT器件應避免承受反向電壓。 由於大部分工業應用都是感性負載,所以必要時需要在IGBT晶元旁邊反並聯一個二極管晶元,或者直接選擇一個具有集成二極管晶元的IGBT器件。 例如採用600V TRENCHSTOP™ Performance新技術的IGBT器件,主要應用於工業驅動,太陽能逆變器和大型家用電器等,我們分別提供帶並聯二極體和不帶並聯二極體的IGBT器件,如圖10所示。

如何計算IGBT器件的工作結溫Tvj?

A:根據以下公式進行計算:

圖11

圖12

式中,熱阻Zth(j-c) 為IGBT器件在瞬態脈衝時的值,可以參考數據手冊的瞬態熱阻曲線如圖11所示。 Ptot為IGBT器件的總損耗,包括開關損耗和導通損耗。 單個週期的開關損耗可以通過測試得到IGBT器件開關波形,進行電壓電流乘積后積分得到。 IGBT在應用中的系統損耗計算可參考如下文章:《乾貨|如何評估IGBT模組在系統中的損耗》。 Tc為IGBT器件的殼溫。 最終計算出來的IGBT器件的工作結溫Tvj不能超過數據手冊中的最高工作結溫Tvjmax,如圖12所示。

在選擇IGBT器件的柵極驅動器時,如何計算IGBT器件需要驅動晶元提供的最大峰值電流Ipeak?

A:在選擇柵極驅動器時,一個重要的參數就是驅動器的最大峰值電流Ipeak。 該參數可以通過以下公式來進行估算:

式中,Ipeak為驅動器必須提供的峰值電流(A); UGE,max為用於開通IGBT的正柵極電壓(V); UGE,min為用於關斷IGBT的負柵極電壓(V)或0; RGint為IGBT內部的柵極電阻(Ω); RGext為IGBT外部的柵極電阻(Ω)。

0.7為實際應用中計算峰值電流的校正因數。 如果IGBT驅動器外部增加了柵-射極電容Cge_ext, 採取的近似方法是將這個電容等效為內部柵極電阻短路,即RGint可設置為0。 如果採用不同的柵極電阻Rgon和Rgoff, 那麼所需的峰值電流由較小的電阻確定,然後再選擇柵極驅動器。 如果驅功晶元無法提供IGBT所需的電流,也可增加推挽電路,推挽電路的計算可參考如下文章??:

《IGBT驅動電流及驅動功率的計算》

如何理解IGBT模組的數據手冊中短路電路SC數據的含義?

圖13

圖14

A:如圖13所示,短路時間tp表示多長時間的短路會對IGBT器件產生影響,IGBT的短路特性通常與幾個參數有關,驅動電壓Vge,直流母線電壓Vcc及集-射極電壓Vce, 短路時間tp,結溫Tvj,和IGBT技術。 圖14為短路測試的電壓電流波形示意圖。 需要注意的是,短路時間tsc只適用於數據手冊中指定的條件。 如果IGBT的驅動電壓Vge越高,會導致短路電流越大; 如果直流母線電壓越高,則短路期間所累積的能量越高; 如果起始結溫Tvj越高,則IGBT短路時的結溫也會越高。 上述因素都會導致IGBT所能承受的短路時間縮短。 如果實際短路時間過長,可能會損壞IGBT器件。 數據手冊中只是給出了一個在指定條件下的最大短路時間作為參考。

影響短路能力因素的更多解釋請參考《廠商數據手冊給出的短路時間竟然說不準? 真相是...》

英飛凌 IGBT7器件提供從短路能力的降額曲線,具體請參考《IGBT7的短路能力及降額曲線》

對於壓接裝配的Easy/Econo系列的IGBT模組是否可以選擇焊接方式?

A:根據國際標準IEC 60068 系列標準 Section 2 (260°C <= 10s),該標準規定模組的焊接溫度為260°C,焊接時間最長為10秒。 在焊接過程中,不得超過223°C的最大允許外殼溫度。 關於更多的詳細焊接要求,可參考英飛凌應用指南AN2005_06。

對於TO247封裝IGBT單管的CTI值是多少?

圖15

A:在IGBT單管應用的PCB layout設計時,經常會參考CTI值來確定爬電距離。 通常情況下,IGBT單管封裝的模具化合物屬於II類材料(CTI為400-600V),無法保證具體的CTI值,可以確定的是對於IGBT器件TO247封裝的CTI值範圍為400-600。 對於IGBT模組的CTI值,可以在對應產品的數據手冊中進行查看,如圖15。

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