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IGBT單管數(shù)據(jù)手冊參數(shù)解析(上)

發(fā)布時間:2022-11-01 來源:英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】IGBT是大家常用的開關(guān)功率器件,本文基于英飛凌單管IGBT的數(shù)據(jù)手冊,對手冊中的一些關(guān)鍵參數(shù)和圖表進(jìn)行解釋說明,用戶可以了解各參數(shù)的背景信息,以便合理地使用IGBT。


英飛凌的IGBT數(shù)據(jù)手冊通常包含以下內(nèi)容:


1. 封面,包括器件編號,IGBT技術(shù)的簡短描述,如果是帶共封裝續(xù)流二極管的器件,數(shù)據(jù)手冊也會包括二極管的功能,關(guān)鍵參數(shù),應(yīng)用以及基本的封裝信息。

2. 最大額定電氣參數(shù)和IGBT熱阻/二極管熱阻

3. 室溫下的電氣特性,包括靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)

4. 25°C和150°C或175°C時的開關(guān)特性

5. 電氣特性圖表

6. 封裝圖

7. 關(guān)鍵參數(shù)的定義圖

8. 修訂歷史


1.英飛凌IGBT的命名


參考已有公眾號文章《英飛凌IGBT單管命名規(guī)則》


2.最大額定值


集電極-發(fā)射極電壓VCE


該值定義了基于IGBT大規(guī)模生產(chǎn)的統(tǒng)計分布的最低擊穿電壓極限。此外,它定義了在結(jié)溫為25℃時,集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓,超過這個極限就會導(dǎo)致器件的壽命縮短或器件失效。一般來說該值隨結(jié)溫的降低而降低。該值也可由數(shù)據(jù)手冊靜態(tài)特性部分規(guī)定的參數(shù)ICES來驗證。


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集電極直流電流IC


IC定義為集電極-發(fā)射極直流電流值,在起始?xì)豑C(通常為25°C或100°C)時,通流并導(dǎo)致IGBT達(dá)到最大結(jié)溫Tvjmax。TC=100°C時的數(shù)值通常被用作器件的額定電流和器件的名稱。


IC由下述公式得到:


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參考《IGBT的電流是如何定義的》


集電極瞬態(tài)電流ICplus


ICplus被定義為開啟和關(guān)閉時的最大瞬態(tài)電流。理論上,它受到特定時間內(nèi)的功率耗散的限制,這使得器件可以在Tjmax≤175°C的最大結(jié)溫限制內(nèi)運行。然而,還有一些其他的限制,例如鍵合線配置、可靠性考慮以及避免IGBT閂鎖的余量。對于最近推出的IGBT,它的瞬態(tài)電流通常是額定電流的3~4倍,以保持高水平的可靠性以及使用壽命。


此外,這個值也定義了SOA中的電流限制。


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共封裝續(xù)流二極管電流IF和瞬態(tài)電流IFplus


與集電極瞬態(tài)電流ICplus和集電極瞬態(tài)電流ICplus的定義相同,用于定義共封裝續(xù)流二極管正向持續(xù)電流IF和二極管瞬態(tài)電流IFplus


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柵極-發(fā)射極電壓VGE


該參數(shù)定義了最大的柵極電壓。第一種是靜態(tài)電壓,對應(yīng)的是在不損壞器件本身的情況下連續(xù)工作的柵極電壓最大值。第二種為瞬態(tài)電壓,對應(yīng)于瞬態(tài)運行時的最大值,可以應(yīng)用在柵極上而不引起損壞或退化。如果柵極上的電壓應(yīng)力意外地高于指定值,可能會立即發(fā)生故障,也可能導(dǎo)致柵極氧化物退化,從而引起后續(xù)的故障。


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耗散功率Ptot


Ptot描述了器件允許的最大功率耗散,與IGBT的芯片結(jié)到外殼的熱阻相關(guān),可以通過下述公式計算:


?T定義為芯片結(jié)到外殼的溫度差,?T=Tvjmax-TC


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運行結(jié)溫Tvj


這個參數(shù)對設(shè)計極為重要。盡管一旦超過極限,器件可能不會立即失效,但將導(dǎo)致器件的退化和使用壽命的縮短。


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熱阻Rth(j-c) 


熱阻表征了功率半導(dǎo)體在穩(wěn)定狀態(tài)下的熱行為。相應(yīng)地,瞬態(tài)熱阻抗Zth(j-c)描述了器件在瞬態(tài)下的熱行為。IGBT/二極管的外殼被定義為整個器件的引線框架。FullPAK封裝器件,中間的引腳被視為外殼。數(shù)據(jù)手冊中所述的最大值考慮到了大規(guī)模生產(chǎn)時的公差,在產(chǎn)品設(shè)計時,需要使用該數(shù)值。


芯片結(jié)到外殼的熱阻Rth(j-c)是確定半導(dǎo)體器件熱行為的一個關(guān)鍵參數(shù)。然而,在任何設(shè)計中,將一個產(chǎn)品的熱阻值同另一個產(chǎn)品的熱阻值直接比較是不夠的。如下圖所示,在電源系統(tǒng)的熱耗散路徑中,芯片結(jié)到環(huán)境的熱阻Rth(j-a)起著最重要的作用,因為它決定了工作條件下的熱限制。它由外殼到環(huán)境的熱阻Rth(c-h)+Rth(h-a)和從結(jié)到外殼的熱阻Rth(j-c)組成。在大多數(shù)情況下,熱界面材料、絕緣墊片和散熱器的熱阻在Rth(j-a)中占主導(dǎo)地位。對于IKW40N65H5,Rth(j-c)最大值為0.6K/W。典型的熱界面材料(TIM)和絕緣墊片的熱阻值可能低至1K/W,而散熱器對環(huán)境的熱阻可能從強(qiáng)制通風(fēng)的1K/W到不通風(fēng)的幾十K/W。因此,與總的Rth(j-a)相比,Rth(j-c)的影響只在個位數(shù)百分比到幾十個百分比之間。


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3. 靜態(tài)特性


集電極-發(fā)射極擊穿電壓V(BR)CES


該參數(shù)定義了特定漏電流下的最小擊穿電壓。本例以IKW40N65H5為例,定義V(BR)CES時使用的漏電流IC=0.2mA,不同的芯片尺寸以及不同的IGBT技術(shù)標(biāo)定時使用的漏電流都有所不同。集電極-發(fā)射極擊穿電壓隨芯片結(jié)溫變化。通常,對于大多數(shù)英飛凌IGBT產(chǎn)品來說,它是一個正的溫度系數(shù)。


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集電極-發(fā)射極飽和電壓VCEsat


VCEsat代表額定電流流過IGBT時,集電極和發(fā)射極之間的電壓降。它通常在15V柵極電壓以及幾個不同芯片結(jié)溫下定義。


一般英飛凌最新的IGBT,VCEsat顯示出正的溫度系數(shù),這樣的特性有利于IGBT在高功率應(yīng)用中的并聯(lián),電流會在并聯(lián)器件之間自動均流。


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●   二極管正向電壓VF


二極管正向電壓VF是指二極管在導(dǎo)通模式下的電壓降。在數(shù)據(jù)手冊的圖表中,給出了典型的VF與溫度的關(guān)系,如下圖所示。請注意,二極管在額定電流下,通常具有輕微的負(fù)溫度系數(shù)的特點。


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●   柵極-發(fā)射極閾值電壓VGE(th)


該參數(shù)表示可以啟動集電極到發(fā)射極電流的最小柵極電壓。一般來說,該電壓隨著芯片結(jié)溫的升高而降低,這意味著VGE(th)擁有負(fù)溫度系數(shù),在并聯(lián)使用時,需要仔細(xì)考慮這一點。


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漏電流ICES和IGES


這些參數(shù)表示集電極和發(fā)射極之間的漏電流(ICES)和柵極和發(fā)射極之間的漏電流(IGES)的上限。它們通常由技術(shù)、生產(chǎn)和工藝決定。ICES與擊穿電壓相關(guān)。當(dāng)器件處于關(guān)斷模式,在集電極和發(fā)射極之間施加電壓時,ICES在IGBT中流過,它引入了靜態(tài)損耗。為了減少這些損耗的影響,ICES必須盡可能地保持低,低漏電流值也有助于提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。


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跨導(dǎo)gfS


跨導(dǎo)gfS代表了根據(jù)柵極電壓變化而產(chǎn)生的電流變化。如下圖所示,在50A的集電極電流和175°C的Tvj溫度條件下,綠色線的斜率正好是跨導(dǎo)21。


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未完待續(xù),動態(tài)特性及開關(guān)特性敬請期待下篇。



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