(1)輸出特性
IGBT的正向特性可以分為4個區間:飽和區、線性區、截止區和雪崩擊穿區。由于IGBT一般在變頻器中是用作開關功能的,故一般工作在飽和區和截止區。如果驅動能力不夠,可能會落到線性區引起過熱損壞;如果關斷時C-E間的電壓過高,則有可能使IGBT發生雪崩擊穿而損壞。
IGBT本身不像MOSFET那樣內部有一個寄生二極管,所以在很多情況下會把一個二極管芯片與IGBT芯片封裝在一起。由于IGBT是非對稱器件,E-C間承受電壓的能力很差(通常只有十幾伏),由于并聯了反并二極管,所以承受的反壓會被鉗位,但某些情況下,由于二極管正向導通特性差等原因,鉗位效果會大打折扣,反壓可能沖到很高,進而導致IGBT反向擊穿而失效。
(2)集電極電流Ic、Icm和二極管電流IF的定義
IGBT器件規格書中給的集電極電流Ic是在不考慮開關損耗情況下管子能夠流過的最大連續電流;也即只考慮導通損耗,不考慮其他損耗并且在一定溫度情況下管子所能承受的電流。我們實際使用時IGBT是工作在周期性地開通、關斷狀態的,而且開關頻率各不相同。所以從熱方面考慮,IGBT也絕對不能在額定電流下使用,具體能流過多大電流,要以結溫(包括穩態結溫和瞬態結溫)計算結果為準。
集電極重復峰值電流Icm是管子在任何情況下都不能超過的最大峰值電流,該值受到結溫、鍵合線通電流能力、功率端子承受能力、擎住效應風險等的限制,熱僅僅是其中的一個限定條件。我們在設定過流點、逐波限流點時要特別注意。
同樣,反并二極管的額定電流(富士稱為-Ic)也是不考慮開關損耗情況下管子能夠流過的最大連續電流,具體定義如下式:
(3)門極加穩壓管和電阻
門極加電阻是為了避免門極懸浮,將IGBT輸入電容中殘存的電荷泄放掉,避免誤開通。門極加穩壓管是為了吸收異常的尖峰。
在實際工作中,很多新員工一般都不愿意加穩壓管,理由是實際測試中門極電壓波形很好,沒有遇到過尖峰。試問研發階段的測試是否夠充分,是否能夠全面覆蓋市場應用的各種惡劣條件。門極產生尖峰通常有兩種主要途徑:通過米勒電容耦合過來,或者通過發射極的寄生電感感應過來。門極能夠承受的最高電壓一般為正負20V,只要幅值超了,不能時間多短都有造成物理性損壞的風險。若干經驗表明,因為門極電壓擊穿導致模塊失效的情況也是很常見的,是導致IGBT失效的主要原因之一,所以我們沒必要為了幾毛錢的事情在這上面糾結。
(4)IGBT驅動電壓的選擇
IGBT驅動電壓可以分為開通電壓Vge(+)和關斷電壓Vge(-),我們通常用15V開通,用-8V左右電壓來關斷。
Vge(+)越高,飽和壓降Vce(sat)越小,但同時短路電流也越大,短路持續時間會下降。要注意,開通電壓并不是越大越好,當驅動電壓達到一定值后,再升高該電壓,Vce(sat)變化不大,但會導致充電電流增大,驅動功耗增加,Vge容易產生尖峰電壓,上升時間變短,關斷延遲時間延長。
關斷電壓Vge(-)通常選擇-5V或-8V,負壓關斷的好處是:加快關斷速度,減小關斷損耗;防止誤開通,使關斷更可靠。負壓關斷的壞處是:驅動電流增大,驅動功耗增加;開通延遲時間增加。
(5)IGBT驅動電阻Rg的選擇
Rg對開通的影響:
Ø 開通損耗;
Ø IGBT的電流尖峰(即二極管的反向恢復電流峰值);
Ø dV/dt;
Ø 二極管的反向恢復損耗。
Rg對關斷的影響:
Ø 關斷損耗(影響沒有對開通的大);
Ø di/dt(主要由芯片技術而定;Rg很大時才有明顯影響);
Ø dV/dt
選擇Rg時的明確下限為:規格書中開關損耗測試條件中的值;Rg的上限:要依據IGBT和二極管損耗、死區時間、Vge波形(是否有震蕩或尖峰)等而定,同時要考慮到驅動器的輸出能力和驅動器溫度。
(6)結溫Tjmax和Tjop的定義
結溫是IGBT的最重要的參數之一,一般IGBT模塊的規格書中通常會給出一個Tjmax和一個Tjop,不同廠家間的定義略有差異,但基本思路都是一致的,即連續的、穩定負載時結溫(穩態結溫)不能超過Tjop;瞬態的、過渡過程時的結溫(瞬態結溫)不能超過Tjmax。下圖是三菱關于這兩個結溫的解釋,很好的說明了它們之間的差別,我們在實際設計時要明確遵守。