来自英飞凌开发者社区的10问10答——IGBT篇
作者：英飞凌工业半导体 高铭
作者简介
高铭，高级工程师，来自英飞凌技术支持中心团队。该团队负责7*24小时解答英飞凌开发者论坛中用户提出的技术问题，为客户提供高效专业的技术支持和解决方案。
1.Q：在IGBT器件的开通过程中，栅极电荷Qg的充电过程是怎样的？
A：IGBT器件例如IKZA50N65EH7的数据手册中如图1所示，给出了栅极电荷Qg和栅极电压Vge的关系。图2为IGBT器件简化示意图。栅极电荷的充电过程可以分为以下三个区域。在时间段AB之间电容Cge被充电，当栅极电压Vge达到栅极阈值电压Vgeth，IGBT器件开始工作。在时间段BC，栅极的充电过程由反馈电容Cgc(也叫密勒电容)决定，这时，Vce电压不断降低，电流Igc通过Cgc给栅极放电，此时栅极电压保持恒定，这种现象叫作密勒平台。在时间段CD，IGBT器件进入饱和，dVce/dt会下降到零，此时栅极电流Ig继续给栅极-发射极电容Cge充电，栅极电压继续上升。
（关于米勒电容更多信息，可参考文章：米勒电容、米勒效应和器件与系统设计对策）
图1
图2
2.Q：在实际应用中，如何确定IGBT器件外部栅极电阻的取值？
A：栅极驱动电阻阻值的选择对IGBT的开关特性和开关损耗有很大的影响。在IGBT的数据手册中，如图 3所示的开关损耗测试条件中栅极电阻 Rgon/Rgoff是重要的条件，它选取的原则为在规定的器件测试条件下的取值，比如Rgon的取值要保证在室温和十分之一电流下不震荡。
栅极电阻除了可以限制栅极的充放电电流，影响IGBT的开关速度之外，还有其他方面的影响，比如：增加驱动回路的功率损耗；降低电磁干扰；防止栅极振荡；避免器件寄生开通等。为了更好的发挥出IGBT器件开关性能的优势，栅极驱动电路往往采用独立的开通和关断栅极电阻，如图4所示。关断回路串联快恢复二极管，可以使栅极关断电阻小于开通电阻，这主要是考虑对于某些功率器件来说，关断延迟时间往往比开通延迟时间更长。
图3
图4
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》。
图5
图6
3.Q：IGBT器件栅极电压波形振荡产生的原因？
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。
图7
图8
在设计中，有时由于几何结构原因无法实现以上优化方式时，可以使用较大的栅极电阻，增加驱动回路的阻尼效应，也可以抑制栅极振荡（关于栅极震荡的发生条件，可参考文章《IGBT驱动电流行为综述》）。只是增加栅极电阻会降低效率，还可能造成开关过程中更长的延迟时间，因此应谨慎选择电阻取值。另外，如果PCB空间允许，栅极电阻应尽可能的靠近IGBT器件的栅极管脚。
4.Q：对于IGBT器件的最小开通时间是多少？
A：在IGBT或二极管芯片刚开始开通时，不会立即充满载流子，在载流子扩散时关断IGBT或二极管芯片，与载流子完全充满后关断相比，电流变化率dIc/dt或dIF/dt可能会增加。由于di/dt升高，加上换流杂散电感的作用，IGBT在关断时会产生更高的电压过冲，也可能引起二极管反向恢复电流增加，进而导致“Snap off”现象。
是否会产生这种现象主要与芯片技术，电压和负载电流有关。需要注意的是，不同的器件在开通过程表现出的电压过冲现象是不同的，也就是说对于最小开通时间的影响没有统一的定论。在应用中，需要根据实际情况调整IGBT器件的最小开通时间。更多信息请参考《IGBT窄脉冲现象解读》。
5.Q：IGBT器件可以承受反压吗？反向阻断电压能力与Vce击穿电压是否有关？
A:如图9所示，与MOSFET相比，IGBT器件本身不含体二极管，所以IGBT器件只能在一个方向上流过电流，即从集电极方向到发射极方向，因此IGBT器件应避免承受反向电压。由于大部分工业应用都是感性负载，所以必要时需要在IGBT芯片旁边反并联一个二极管芯片，或者直接选择一个具有集成二极管芯片的IGBT器件。例如采用600V TRENCHSTOP™ Performance新技术的IGBT器件，主要应用于工业驱动，太阳能逆变器和大型家用电器等，我们分别提供带并联二极管和不带并联二极管的IGBT器件，如图10所示。
图9
图10
6.Q：如何计算IGBT器件的工作结温Tvj？
A：根据以下公式进行计算：
式中，热阻Zth(j-c) 为IGBT器件在瞬态脉冲时的值，可以参考数据手册的瞬态热阻曲线如图11所示。Ptot为IGBT器件的总损耗，包括开关损耗和导通损耗。单个周期的开关损耗可以通过测试得到IGBT器件开关波形，进行电压电流乘积后积分得到。IGBT在应用中的系统损耗计算可参考如下文章：《干货|如何评估IGBT模块在系统中的损耗》。
Tc为IGBT器件的壳温。最终计算出来的IGBT器件的工作结温Tvj不能超过数据手册中的最高工作结温Tvjmax，如图12所示。
图11
图12
7.Q：在选择IGBT器件的栅极驱动器时，如何计算IGBT器件需要驱动芯片提供的最大峰值电流Ipeak？
A：在选择栅极驱动器时，一个重要的参数就是驱动器的最大峰值电流Ipeak。该参数可以通过以下公式来进行估算：
式中，Ipeak为驱动器必须提供的峰值电流（A）；UGE,max为用于开通IGBT的正栅极电压（V）；UGE,min为用于关断IGBT的负栅极电压（V）或0；RGint为IGBT内部的栅极电阻（Ω）；RGext为IGBT外部的栅极电阻（Ω）。
0.7为实际应用中计算峰值电流的校正因数。如果IGBT驱动器外部增加了栅-射极电容Cge_ext, 采取的近似方法是将这个电容等效为内部栅极电阻短路，即RGint可设置为0。如果采用不同的栅极电阻Rgon和Rgoff, 那么所需的峰值电流由较小的电阻确定，然后再选择栅极驱动器。如果驱功芯片无法提供IGBT所需的电流，也可增加推挽电路，推挽电路的计算可参考如下文章：
《IGBT驱动电流及驱动功率的计算》
8.Q：如何理解IGBT模块的数据手册中短路电路SC数据的含义？
A：如图13所示，短路时间tp表示多长时间的短路会对IGBT器件产生影响，IGBT的短路特性通常与几个参数有关，驱动电压Vge，直流母线电压Vcc及集-射极电压Vce， 短路时间tp，结温Tvj，和IGBT技术。图14为短路测试的电压电流波形示意图。需要注意的是，短路时间tsc只适用于数据手册中指定的条件。
如果IGBT的驱动电压Vge越高，会导致短路电流越大；如果直流母线电压越高，则短路期间所累积的能量越高；如果起始结温Tvj越高，则IGBT短路时的结温也会越高。上述因素都会导致IGBT所能承受的短路时间缩短。如果实际短路时间过长，可能会损坏IGBT器件。数据手册中只是给出了一个在指定条件下的最大短路时间作为参考。
影响短路能力因素的更多解释请参考《厂商数据手册给出的短路时间竟然说不准？真相是…》
英飞凌 IGBT7器件提供从短路能力的降额曲线，具体请参考《IGBT7的短路能力及降额曲线》
图13
图14
9.Q：对于压接装配的Easy/Econo系列的IGBT模块是否可以选择焊接方式？
A:根据国际标准IEC 60068 系列标准 Section 2 (260°C <= 10s)，该标准规定模块的焊接温度为260℃，焊接时间最长为10秒。在焊接过程中，不得超过223℃的最大允许外壳温度。关于更多的详细焊接要求，可参考英飞凌应用指南AN2005_06。
10.Q：对于TO247封装IGBT单管的CTI值是多少？
A:在IGBT单管应用的PCB layout设计时，经常会参考CTI值来确定爬电距离。通常情况下，IGBT单管封装的模具化合物属于II类材料（CTI为400-600V），无法保证具体的CTI值，可以确定的是对于IGBT器件TO247封装的CTI值范围为400-600。对于IGBT模块的CTI值，可以在对应产品的数据手册中进行查看，如图15。
图15
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