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。

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）

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:

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》。

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。

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》。

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。

A：根據以下公式進行計算：

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。

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：

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》

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。

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。