IGBT特性曲线解读

　　收稿日期 :2000 - 08 - 07 　　作者简介 :李明 (1964 —) ,男 ,陕西西安人 ,硕士 ,高级工程师 ,主要从事电力电子技术方面的工作。 IGBT特性曲线解读 李 　明 ( IR 西安应用中心 ,陕西 西安 710061) 摘要 :详细 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了 IGBT的通态特性曲线、开关特性曲线和安全工作区曲线 ,从而揭示出 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中应注意的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 关键词 : IGBT;特性曲线 ;分析 中图分类号 :TG43413 　　　文献标识码 :A 　　　文章编号 :1001 - 2303 (2000) 11 - 0021 - 05 A study on IGBT characteristic diagram LI Ming ( IR Xipian Application Centre ,Xipian 710061 , China) Abstract :Power on characteristic diagram , switch on2off characteristic diagram and safe working region diagram are analysed in detail , there2 fore problems should pay attention to in the design are indicated. Key words :IGBT;characteristic diagram ; analysis 1 　引言 随着 IGBT技术的发展 ,其通态压降、开关频率 以及高温特性不断提高 ,它在大功率开关电源设备 中的地位越来越重要 ,如 UPS、焊机、电机驱动、大功 率特种电源等 ,大量使用 IGBT模块。然而 , IGBT模 块主要用于大功率电源中 (大于 5 kW) ,其在设备中 所占成本比例较高 ,如何尽量减少开发过程中IGBT 模块的损坏 ,以降低开发成本和提高整机可靠性 ,成 为每个设计工程师最关心的问题。本文期望通过对 IGBT特性曲线的分析 ,从而了解 IGBT 器件和揭示 出设计中应注意的问题。 2 　通态特性 211 　通态压降 随着 IGBT 器件技术的发展 , IGBT 的通态压降 越来越小 ,从而使其电流密度越来越高。但是注意 , 器件给出的通态饱和压降是有一定条件的。如 GA75TS60U ,其饱和压降最大为 117 V ,是在 Vge = 15 V , Ic = 75 A , Tj = 25 ℃条件下得到的。此时器件 的通态损耗是 : Pon = 117 V ×75 A = 12715 W (1) 如果测试结温升至 125 ℃,其他条件不变 : Vge = 15 V , Ic = 75 A ,此时的典型压降是 1176 V。则器 件的通态损耗是 : Pon = 1176 V ×75 A = 132 W (2) 而不同的 IGBT 模块其压降也不同 ,如该型号的 IGBT模块其最大的饱和压降是 212 V ,则通态损耗为 : Pon = 212 V ×75 A = 165 W (3) 可见 Vce (on)在实际应用中是个变量 ,从而使得 器件损耗不同。其值与集电极电流 Ic ,器件结温 Tj ,以及栅极电压有关。请参看图 2、图 3、图 5 和图 13。负载电流与频率的关系曲线见图 1。 212 　通态电流 通常厂家给出器件外壳温度为环境温度时的最 大连续集电极电流 ,即 Tc = 25 ℃时 , IC 电流。如 GA75TS60U ,其在 25 ℃时的最大连续集电极电流为 75 A ,但当器件壳温升至 100 ℃时 ,其最大连续集电 极电流降至 60 A ,参看图 4。器件通过电流能力取 决于最终器件结温是否超过器件所允许的最大结 ·12·研究与设计 　　　　　　　　　电焊机 ,Vol130 ,2000 (11) :21～25 温。为了简化 ,不考虑接触热阻 ,则结到环境的热阻 为 : Rthja = Rthjc + Rthca = ( Tj - Ta) / Pd (4) 得 : Tj = ( Rthjc + Rthca) Pd + Ta (5) 式中 　Pd 为器件的损耗 ,包括通态损耗和开关损 耗。 图 1 　负载电流与频率的关系曲线 图 2 　典型的输出特性 由式 (5) 知 ,器件通流能力与器件热阻、散热器 热阻、功耗以及环境温度有关 ,参见图 6。 器件功耗由通态损耗、断态损耗、开通损耗和关 断损耗组成。通态损耗前面已经讲过 , 断态损耗可 以忽略 ,开通损耗和关断损耗则与器件开关速度、驱 动器能力、开关电流、开关电压和开关频率有关。与 功率场效应管相比 , IGBT 的开关速度相对较慢 ,其 开关损耗占总损耗的 50 %～70 %。图 9、图 10、图 11 给出了开关能耗与开关电流和结温的关系。应特别 注意 :同样电流下 ,当结温升高时 ,开关能耗增加。 图 3 　典型的传输特性 图 4 　最大集电极电流随外壳温度的变化曲线 图 5 　典型集电极2发射极电压与结温的关系 ·22· 研究与设计 　　　　　　　　　　　　电焊机 ,Vol130 ,2000 (11) 图 6 　最大有效瞬态结壳热阻抗 　　参见图 1 , 在 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 结构、器件开关电压、电流 和结壳温差一定的条件下 , 器件所通电流的有效值 随开关频率的增加而减小。如果要求结壳温差更 小 , 则电流有效值降低。 即随着开关频率的增加 , 开关损耗也增加 , 引 起结温升高。为了保持结温不变 , 必须降低开关电 流。 可见 , 不能简单地定义 IGBT 模块能通多大的 电流。如果在设计中选择了 1 个开关速度快、通态 压降小、芯片面积大的 IGBT 模块 , 用于较小的电 流下运行 , 从传统的电流定义看 , 似乎损失较大 , 但你将得到的是低的功率损耗、小的散热器体积 (同样结温下) 、低的运行温度和高可靠性 (同样散 热器下) 。因此 , 应灵活使用 IGBT模块和综合评价 一个设计的好坏。 3 　开关特性 311 　开通通性 IGBT具有功率场效应管的栅极特性 , 其栅极 与发射极间可等效为 1 个电容 , 定义为 Cge。但对 栅极驱动电路来说 , 影响驱动的因素还有栅极与集 电极间的电容 , 即 Cgc。Cge与 Cgc之和称为 IGBT的 输入电容。在设计栅极驱动时 , 不应以输入电容为 设计参数 (见图 7 和图 8) , 而应以栅极电荷为设 计依据。 IGBT一般是将其用于高频下工作 , 而非一个 图 7 　典型电容与集 —发电压之关系 图 8 　典型的栅极电荷与栅 —发的关系 ·32·研究与设计 　　　　　　　　　　　　电焊机 ,Vol130 ,2000 (11) 图 9 　典型的开关损耗与栅极电阻的关系 图 10 　典型的开关损耗与结温的关系 图 11 　典型开关电流与集 —发电流的关系 固定开通态或关断态。因此栅极驱动的设计就应考 虑以下因素 : 栅极电荷 Qg、开关频率和栅极电压。 栅极驱动的好坏直接影响器件的开关损耗。见图 9 , 在给定条件下 , 器件开关能量损耗与栅极电阻 的关系 : 电阻越大 , 损耗越大。这并不说明栅极电 阻应为零 , 还应考虑栅极电阻对其他参数的影响。 312 　关断特性 由于 IGBT是少数载流子器件 , 关断时存在少 数载流子复合问题 , 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现在关断时有拖尾电流 , 增 加了器件的关断损耗。另外 , 由于米勒电容效应 , 栅极在关断时有一个延迟时间 , 它也增加了器件的 关断损耗 , 但它与器件的存储时间不同。参见图 10、图 11。 313 　d v/ d t 由于 IGBT 器件存在米勒电容 ,当有很高的 d v/ d t加在 IGBT的 Vce时 ,会通过米勒电容在栅极产 生脉冲电压 ,在半桥电路结构中 ,如果栅极脉冲电压 超过栅极阈值电压 , IGBT 将会瞬时开通 ,此时其相 对的 IGBT处于开通状态 ,则使半桥电路形成瞬时短 路 ,该短路电流称为“竞争冒险”。该电流增加了器 件损耗 ,降低了运行可靠性。此电流在空载时最严 重 ,因为 d v/ d t 最大。 可以通过设计低阻抗栅极驱动电路和电路布 局 ,或栅极加负偏压方法解决。 图 12 　反偏置 SOA ·42· 研究与设计 　　　　　　　　　　　　电焊机 ,Vol130 ,2000 (11) 图 13 　典型的正向电压降与瞬时正向电流的关系 图 14 　典型的存贮电荷随 d if / d t 的变化 314 　反向恢复 通常 IGBT都并有续流二极管 , 并且选用快速 软恢复特性二极管。在半桥电路中 , 二极管反向恢 复电流与相对应的 IGBT 形成短路 , 形成另一部分 损耗。反向恢复电荷越小 , 时间越短 , 损耗越小。 图 14、图 15 给出了续流二极管的反向恢复特性与 图 15 　典型的反向恢复特性 图 16 　典型的恢复电流与 d if / d t 的关系 输出电流的关系。图 16 给出了典型的恢复电流与 d if / d t 的关系。 4 　安全工作区 图 12 给出了 IGBT模块的安全工作区 , 它具有 与 MOSFET类似的宽安全工作区。IR 的 IGBT 确保 在其参数范围内使用时 , 不会出现 2 次雪崩击穿。 ·52·研究与设计 　　　　　　　　　　　　电焊机 ,Vol130 ,2000 (11)