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IGBT使用中的几个常识性问题

发布时间:2015-05-12 18:33     新闻类型:产品资讯      人浏览
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IGBT是变频器等电力电子产品中经常用到的关键器件,正确地使用好IGBT是保证产品质量的基础和前提。现总结几个常识性问题,以利于硬件设计人员加深对IGBT的认识。

(1)输出特性

IGBT的正向特性可以分为4个区间:饱和区、线性区、截止区和雪崩击穿区。由于IGBT一般在变频器中是用作开关功能的,故一般工作在饱和区和截止区。如果驱动能力不够,可能会落到线性区引起过热损坏;如果关断时C-E间的电压过高,则有可能使IGBT发生雪崩击穿而损坏。

IGBT本身不像MOSFET那样内部有一个寄生二极管,所以在很多情况下会把一个二极管芯片与IGBT芯片封装在一起。由于IGBT是非对称器件,E-C间承受电压的能力很差(通常只有十几伏),由于并联了反并二极管,所以承受的反压会被钳位,但某些情况下,由于二极管正向导通特性差等原因,钳位效果会大打折扣,反压可能冲到很高,进而导致IGBT反向击穿而失效。

(2)集电极电流Ic、Icm和二极管电流IF的定义

IGBT器件规格书中给的集电极电流Ic是在不考虑开关损耗情况下管子能够流过的最大连续电流;也即只考虑导通损耗,不考虑其他损耗并且在一定温度情况下管子所能承受的电流。我们实际使用时IGBT是工作在周期性地开通、关断状态的,而且开关频率各不相同。所以从热方面考虑,IGBT也绝对不能在额定电流下使用,具体能流过多大电流,要以结温(包括稳态结温和瞬态结温)计算结果为准。

集电极重复峰值电流Icm是管子在任何情况下都不能超过的最大峰值电流,该值受到结温、键合线通电流能力、功率端子承受能力、擎住效应风险等的限制,热仅仅是其中的一个限定条件。我们在设定过流点、逐波限流点时要特别注意。

同样,反并二极管的额定电流(富士称为-Ic)也是不考虑开关损耗情况下管子能够流过的最大连续电流,具体定义如下式:

(3)门极加稳压管和电阻

门极加电阻是为了避免门极悬浮,将IGBT输入电容中残存的电荷泄放掉,避免误开通。门极加稳压管是为了吸收异常的尖峰。

在实际工作中,很多新员工一般都不愿意加稳压管,理由是实际测试中门极电压波形很好,没有遇到过尖峰。试问研发阶段的测试是否够充分,是否能够全面覆盖市场应用的各种恶劣条件。门极产生尖峰通常有两种主要途径:通过米勒电容耦合过来,或者通过发射极的寄生电感感应过来。门极能够承受的最高电压一般为正负20V,只要幅值超了,不能时间多短都有造成物理性损坏的风险。若干经验表明,因为门极电压击穿导致模块失效的情况也是很常见的,是导致IGBT失效的主要原因之一,所以我们没必要为了几毛钱的事情在这上面纠结。

(4)IGBT驱动电压的选择

IGBT驱动电压可以分为开通电压Vge(+)和关断电压Vge(-),我们通常用15V开通,用-8V左右电压来关断。

Vge(+)越高,饱和压降Vce(sat)越小,但同时短路电流也越大,短路持续时间会下降。要注意,开通电压并不是越大越好,当驱动电压达到一定值后,再升高该电压,Vce(sat)变化不大,但会导致充电电流增大,驱动功耗增加,Vge容易产生尖峰电压,上升时间变短,关断延迟时间延长。

关断电压Vge(-)通常选择-5V或-8V,负压关断的好处是:加快关断速度,减小关断损耗;防止误开通,使关断更可靠。负压关断的坏处是:驱动电流增大,驱动功耗增加;开通延迟时间增加。

(5)IGBT驱动电阻Rg的选择

Rg对开通的影响:

?  开通损耗;

?  IGBT的电流尖峰(即二极管的反向恢复电流峰值);

?  dV/dt;

?  二极管的反向恢复损耗。

Rg对关断的影响:

?  关断损耗(影响没有对开通的大);

?  di/dt(主要由芯片技术而定;Rg很大时才有明显影响);

?  dV/dt

选择Rg时的明确下限为:规格书中开关损耗测试条件中的值;Rg的上限:要依据IGBT和二极管损耗、死区时间、Vge波形(是否有震荡或尖峰)等而定,同时要考虑到驱动器的输出能力和驱动器温度。

(6)结温Tjmax和Tjop的定义

结温是IGBT的最重要的参数之一,一般IGBT模块的规格书中通常会给出一个Tjmax和一个Tjop,不同厂家间的定义略有差异,但基本思路都是一致的,即连续的、稳定负载时结温(稳态结温)不能超过Tjop;瞬态的、过渡过程时的结温(瞬态结温)不能超过Tjmax。下图是三菱关于这两个结温的解释,很好的说明了它们之间的差别,我们在实际设计时要明确遵守。

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