IGBT 基礎(chǔ)教程：第 7 部分IGBT動(dòng)態(tài)特性

一個(gè)等效的 IBGT 模型，其中包括端子之間的電容。輸入、輸出和反向傳輸電容是這些電容的組合。數(shù)據(jù)表中規(guī)定了測(cè)量電容的測(cè)試條件。

這是在柵極和發(fā)射極之間測(cè)量的輸入電容，其中集電極與發(fā)射極短路，用于交流信號(hào)。C ies由柵極到集電極電容 (CGC) 與柵極到發(fā)射極電容 (CGE) 并聯(lián)組成，或

C ies = C GE + C GC

輸入電容必須在器件開始開啟前充電至閾值電壓，并在器件開始關(guān)閉前放電至平臺(tái)電壓。因此，驅(qū)動(dòng)電路和 C ies的阻抗與開啟和關(guān)閉延遲有直接關(guān)系。

C oes — 輸出電容

這是在收集極和發(fā)射極之間測(cè)量的輸出電容，其中柵極與發(fā)射極短路，用于交流電壓。C oes由與柵極到集電極電容 (CGC) 并聯(lián)的集電極到發(fā)射極電容 (CCE) 組成，或

C oes = C CE + C GC

對(duì)于軟開關(guān)應(yīng)用，C oes很重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響電路的諧振。

C res — 反向傳輸電容

這是在發(fā)射極接地時(shí)在集電極和柵極端子之間測(cè)量的反向傳輸電容。反向傳輸電容等于柵極到集電極的電容。

C res = C GC

反向傳輸電容，通常稱為米勒電容，是影響開關(guān)期間電壓上升和下降時(shí)間的主要參數(shù)之一。電容隨著集電極-發(fā)射極電壓的增加而減小，尤其是輸出和反向傳輸電容。正如將要解釋的，這種變化是柵極電荷數(shù)據(jù)的“存在理由”。

V GEP — 平臺(tái)電壓

作為柵極電荷函數(shù)的柵極-發(fā)射極電壓，開啟順序從左到右穿過這條曲線，關(guān)閉從右到左穿過。JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) 24-2 中描述了測(cè)量柵極電荷的方法。柵極平臺(tái)電壓V GEP定義為在恒定柵極電流驅(qū)動(dòng)條件的導(dǎo)通開關(guān)轉(zhuǎn)換期間柵極-發(fā)射極電壓的斜率首先達(dá)到最小值時(shí)的柵極-發(fā)射極電壓。換句話說，它是柵極電荷曲線在曲線的第一個(gè)拐點(diǎn)后首先變直的柵極-發(fā)射極電壓，如圖 11 所示?；蛘?，V GEP是在轉(zhuǎn)向期間最后一個(gè)最小斜率處的柵極-發(fā)射極電壓-離開。

平臺(tái)電壓隨電流增加，但不隨溫度增加。用 IGBT 替換功率 MOSFET 時(shí)要小心。10 或 12 伏的柵極驅(qū)動(dòng)器可能適用于高壓功率 MOSFET，但取決于其平臺(tái)電壓，除非增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電壓，否則大電流下的 IGBT 可能會(huì)非常緩慢地切換，甚至不會(huì)完全開啟。

Q ge是曲線中從原點(diǎn)到第一個(gè)拐點(diǎn)的電荷，Q gc是曲線中第一個(gè)拐點(diǎn)到第二個(gè)拐點(diǎn)的電荷(也稱為“米勒”電荷)，Q g GE等于峰值驅(qū)動(dòng)電壓。柵極電荷值隨集電極電流和集電極-發(fā)射極電壓而變化，但不隨溫度變化。規(guī)定了測(cè)試條件。此外，柵極電荷圖通常包含在數(shù)據(jù)表中，顯示固定集電極電流和不同集電極-發(fā)射極電壓的柵極電荷曲線。柵極電荷值反映存儲(chǔ)在前面所述的端子間電容上的電荷。柵極電荷通常用于設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)樗紤]了開關(guān)瞬態(tài)期間電容隨電壓變化的變化。

開關(guān)

時(shí)間和能量 IGBT 的開關(guān)時(shí)間和能量并不總是容易預(yù)測(cè)的，因此 Microsemi 在數(shù)據(jù)表中提供了硬開關(guān)鉗位電感開關(guān)的開關(guān)時(shí)間和能量。每個(gè)數(shù)據(jù)表中都包含測(cè)試電路和定義。請(qǐng)注意，柵極電阻包括柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 的電阻。由于開關(guān)時(shí)間和能量隨溫度變化(E on1除外)，數(shù)據(jù)在室溫和高溫下均提供。還經(jīng)常提供圖表，顯示開關(guān)時(shí)間和能量與集電極電流、結(jié)溫和柵極電阻之間的關(guān)系。

一般來說，開啟速度和能量與溫度相對(duì)獨(dú)立，或者實(shí)際上速度會(huì)隨著溫度的升高而略微增加(能量降低)。二極管反向恢復(fù)電流隨溫度升高，導(dǎo)致E on2隨溫度升高。E on1和 E on2定義如下。關(guān)斷速度隨著溫度的升高而降低，對(duì)應(yīng)于關(guān)斷能量的增加。開關(guān)速度，開通和關(guān)斷，隨著柵極電阻的增加而降低，對(duì)應(yīng)于開關(guān)能量的增加。開關(guān)能量可以直接根據(jù)應(yīng)用電壓和數(shù)據(jù)表開關(guān)能量測(cè)試電壓之間的變化進(jìn)行調(diào)整。因此，如果數(shù)據(jù)表測(cè)試是在 400 伏特下進(jìn)行的，而應(yīng)用是 300 伏特，只需將數(shù)據(jù)表中的開關(guān)能量值乘以比率 300/400 即可推斷。

開關(guān)時(shí)間和能量也隨電路中的雜散電感變化很大，包括柵極驅(qū)動(dòng)電路。特別是，與發(fā)射極串聯(lián)的雜散電感會(huì)顯著影響開關(guān)時(shí)間和能量。因此，數(shù)據(jù)表中的開關(guān)時(shí)間和能量值以及圖表僅具有代表性，可能與實(shí)際電源或電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中觀察到的結(jié)果有所不同。

t d(on) , — 開啟延遲時(shí)間

開啟延遲時(shí)間是從柵極發(fā)射極電壓上升超過驅(qū)動(dòng)電壓的 10% 到集電極電流上升超過指定電感電流的 10% 的時(shí)間。

t d(off) , — 關(guān)斷延遲時(shí)間

關(guān)斷延遲時(shí)間是從柵極發(fā)射極電壓降至驅(qū)動(dòng)電壓的 90% 以下到集電極電流降至指定電感電流的 90% 以下的時(shí)間。這給出了電流開始在負(fù)載中轉(zhuǎn)換之前的延遲指示。

t r — 電流上升時(shí)間

電流上升時(shí)間是集電極電流從 10% 上升到 90% 開始到停止指定電感電流的時(shí)間。

t f — 電流下降時(shí)間

電流下降時(shí)間是集電極電流從 90% 下降到 10% 開始到指定電感電流停止的時(shí)間。

E on2 - 使用二極管的開啟開關(guān)能量

這是鉗位電感開啟能量，包括 IGBT 開啟開關(guān)損耗中的換向二極管反向恢復(fù)電流。鉗位二極管使用與 DUT 相同類型 IGBT 的 Combi 器件(IGBT 與反并聯(lián)二極管組合)。導(dǎo)通開關(guān)能量是集電極電流乘積的積分從集電極電流上升超過測(cè)試電流的 5% 到電壓下降到低于測(cè)試電壓的 5% 期間的集電極-發(fā)射極電壓。積分間隔的 5% 電流上升和電壓下降定義適應(yīng)了儀器的分辨率，同時(shí)提供了一種不影響精度的可靠的重復(fù)測(cè)量方法。

E off — 關(guān)斷開關(guān)能量

這是鉗位的感應(yīng)關(guān)斷能量。E off是集電極電流和集電極-發(fā)射極電壓的乘積在從柵極發(fā)射極電壓下降到低于 90% 到集電極電流達(dá)到零的時(shí)間間隔內(nèi)的積分。這符合用于測(cè)量關(guān)斷能量的 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) 24-1。較早的數(shù)據(jù)表顯示 Eoff 從開關(guān)瞬態(tài)開始測(cè)量并持續(xù) 2 μs。每個(gè)設(shè)備使用的方法顯示在其數(shù)據(jù)表中。

E on1 — 開通開關(guān)能量

這只是 IGBT 的鉗位電感開通能量，沒有增加 IGBT 開通損耗的換向二極管反向恢復(fù)電流的影響。

g fe - 正向跨導(dǎo)

正向跨導(dǎo)將集電極電流與柵極-發(fā)射極電壓聯(lián)系起來。正向跨導(dǎo)隨集電極電流、集電極-發(fā)射極電壓和溫度而變化。高跨導(dǎo)對(duì)應(yīng)于低平臺(tái)電壓和快速的電流上升和下降時(shí)間?？鐚?dǎo)對(duì)于雙極晶體管很重要。另一方面，IGBT 在跨導(dǎo)下降之前很久就受到熱限制，因此該規(guī)范并不是那么有用。

然而，重要的是要注意，即使在高柵極-發(fā)射極電壓下，IGBT 也表現(xiàn)出相對(duì)較高的增益。這是因?yàn)橥ㄟ^增加?xùn)艠O-發(fā)射極電壓來增加電子流也會(huì)增加空穴流。然而，一旦完全導(dǎo)通，高壓功率 MOSFET 的增益對(duì)柵極電壓非常不敏感。