作者：英飛凌工業半導體 高銘
作者簡介
高銘，高級工程師，來自英飛凌技術支持中心團隊。該團隊負責7*24小時解答英飛凌開發者論壇中用戶提出的技術問題，為客戶提供高效專業的技術支持和解決方案。
Q：在IGBT器件的開通過程中，柵極電荷Qg的充電過程是怎樣的？
A：IGBT器件例如IKZA50N65EH7的數據手冊中如圖1所示，給出了柵極電荷Qg和柵極電壓Vge的關係。圖2為IGBT器件簡化示意圖。柵極電荷的充電過程可以分為以下三個區域。在時間段AB之間電容Cge被充電，當柵極電壓Vge達到柵極閾值電壓Vgeth，IGBT器件開始工作。在時間段BC，柵極的充電過程由反饋電容Cgc(也叫密勒電容)決定，這時，Vce電壓不斷降低，電流Igc通過Cgc給柵極放電，此時柵極電壓保持恆定，這種現象叫作密勒平台。在時間段CD，IGBT器件進入飽和，dVce/dt會下降到零，此時柵極電流Ig繼續給柵極-發射極電容Cge充電，柵極電壓繼續上升。
（關於米勒電容更多信息，可參考文章：米勒電容、米勒效應和器件與系統設計對策）
圖1
圖2
Q：在實際應用中，如何確定IGBT器件外部柵極電阻的取值？
A：柵極驅動電阻阻值的選擇對IGBT的開關特性和開關損耗有很大的影響。在IGBT的數據手冊中，如圖 3所示的開關損耗測試條件中柵極電阻 Rgon/Rgoff是重要的條件，它選取的原則為在規定的器件測試條件下的取值，比如Rgon的取值要保證在室溫和十分之一電流下不震盪。
柵極電阻除了可以限制柵極的充放電電流，影響IGBT的開關速度之外，還有其他方面的影響，比如：增加驅動迴路的功率損耗；降低電磁干擾；防止柵極振盪；避免器件寄生開通等。為了更好的發揮出IGBT器件開關性能的優勢，柵極驅動電路往往採用獨立的開通和關斷柵極電阻，如圖4所示。關斷迴路串聯快恢復二極體，可以使柵極關斷電阻小於開通電阻，這主要是考慮對於某些功率器件來說，關斷延遲時間往往比開通延遲時間更長。
圖3
圖4
另一方面，考慮避免器件發生寄生開通，如圖5所示，如果關斷柵極電阻較大，IGBT在關斷過程中，在高dv/dt和密勒電容Cgc作用下，根據公式:
IGBT的柵極電壓將被抬高，一旦Vge電壓高於門檻電壓Vgeth，將引起IGBT器件寄生開通，如果是半橋電路發生上下管直通現象，將會影響系統的可靠性。如果關斷電阻太小，可能會導致器件在關斷時由於di/dt過高造成較大的Vce電壓尖峰，導致器件損壞。因此，在選擇柵極電阻時需要在開關速度和可靠性之間進行權衡。在IGBT數據手冊中，圖6為指定測試條件下，IGBT開關損耗和柵極電阻的關係曲線，也可供設計者參考。但是為保證柵極電阻的選值真正適用於實際系統應用，最終應在實際系統中進行實驗驗證。更多關於柵極電阻的選型及注意事項，可參考英飛凌應用指南AN2015-06，或以下微信文章??:
《IGBT驅動電流行為綜述》，
《IGBT驅動電流及驅動功率的計算》。
圖5
圖6
Q：IGBT器件柵極電壓波形振蕩產生的原因？
A：在電力電子應用中，經常會看到柵極電壓波形振盪現象。如圖7所示，驅動電流Ig流經驅動迴路的柵極電阻Rg，寄生電感Lp和IGBT器件的寄生電容Cge, 形成諧振電路，在激勵作用下，振盪就會發生。為了避免或抑制振盪發生，最重要的一點就是，優化PCB驅動迴路布局，減小驅動迴路的寄生電感Lp。一方面可以縮短走線長度，使柵極迴路儘可能短，通常可以減少1nH/mm的寄生電感。當IGBT器件有Kelvin emitter 管腳時如圖8所示，驅動迴路的返回端可以選擇連接Kelvin emitter 管腳。
圖7
圖8
在設計中，有時由於幾何結構原因無法實現以上優化方式時，可以使用較大的柵極電阻，增加驅動迴路的阻尼效應，也可以抑制柵極振盪（關於柵極震盪的發生條件，可參考文章《IGBT驅動電流行為綜述》）。只是增加柵極電阻會降低效率，還可能造成開關過程中更長的延遲時間，因此應謹慎選擇電阻取值。另外，如果PCB空間允許，柵極電阻應儘可能的靠近IGBT器件的柵極管腳。
Q：對於IGBT器件的最小開通時間是多少？
A：在IGBT或二極體晶片剛開始開通時，不會立即充滿載流子，在載流子擴散時關斷IGBT或二極體晶片，與載流子完全充滿後關斷相比，電流變化率dIc/dt或dIF/dt可能會增加。由於di/dt升高，加上換流雜散電感的作用，IGBT在關斷時會產生更高的電壓過沖，也可能引起二極體反向恢復電流增加，進而導致“Snap off”現象。是否會產生這種現象主要與晶片技術，電壓和負載電流有關。需要注意的是，不同的器件在開通過程表現出的電壓過沖現象是不同的，也就是說對於最小開通時間的影響沒有統一的定論。在應用中，需要根據實際情況調整IGBT器件的最小開通時間。更多信息請參考《IGBT窄脈衝現象解讀》。
Q：IGBT器件可以承受反壓嗎？反向阻斷電壓能力與Vce擊穿電壓是否有關？
A:如圖9所示，與MOSFET相比，IGBT器件本身不含體二極體，所以IGBT器件只能在一個方向上流過電流，即從集電極方向到發射極方向，因此IGBT器件應避免承受反向電壓。由於大部分工業應用都是感性負載，所以必要時需要在IGBT晶片旁邊反並聯一個二極體晶片，或者直接選擇一個具有集成二極體晶片的IGBT器件。例如採用600V TRENCHSTOP™ Performance新技術的IGBT器件，主要應用於工業驅動，太陽能逆變器和大型家用電器等，我們分別提供帶並聯二極體和不帶並聯二極體的IGBT器件，如圖10所示。
圖9
圖10
Q：如何計算IGBT器件的工作結溫Tvj？
A：根據以下公式進行計算：
式中，熱阻Zth(j-c) 為IGBT器件在瞬態脈衝時的值，可以參考數據手冊的瞬態熱阻曲線如圖11所示。Ptot為IGBT器件的總損耗，包括開關損耗和導通損耗。單個周期的開關損耗可以通過測試得到IGBT器件開關波形，進行電壓電流乘積後積分得到。IGBT在應用中的系統損耗計算可參考如下文章：《乾貨|如何評估IGBT模塊在系統中的損耗》。Tc為IGBT器件的殼溫。最終計算出來的IGBT器件的工作結溫Tvj不能超過數據手冊中的最高工作結溫Tvjmax，如圖12所示。
圖11
圖12
Q：在選擇IGBT器件的柵極驅動器時，如何計算IGBT器件需要驅動晶片提供的最大峰值電流Ipeak？
A：在選擇柵極驅動器時，一個重要的參數就是驅動器的最大峰值電流Ipeak。該參數可以通過以下公式來進行估算：
式中，Ipeak為驅動器必須提供的峰值電流（A）；UGE,max為用於開通IGBT的正柵極電壓（V）；UGE,min為用於關斷IGBT的負柵極電壓（V）或0；RGint為IGBT內部的柵極電阻（Ω）；RGext為IGBT外部的柵極電阻（Ω）。
0.7為實際應用中計算峰值電流的校正因數。如果IGBT驅動器外部增加了柵-射極電容Cge_ext, 採取的近似方法是將這個電容等效為內部柵極電阻短路，即RGint可設置為0。如果採用不同的柵極電阻Rgon和Rgoff, 那麼所需的峰值電流由較小的電阻確定，然後再選擇柵極驅動器。如果驅功晶片無法提供IGBT所需的電流，也可增加推挽電路，推挽電路的計算可參考如下文章??：
Q：如何理解IGBT模塊的數據手冊中短路電路SC數據的含義？
A：如圖13所示，短路時間tp表示多長時間的短路會對IGBT器件產生影響，IGBT的短路特性通常與幾個參數有關，驅動電壓Vge，直流母線電壓Vcc及集-射極電壓Vce， 短路時間tp，結溫Tvj，和IGBT技術。圖14為短路測試的電壓電流波形示意圖。需要注意的是，短路時間tsc只適用於數據手冊中指定的條件。如果IGBT的驅動電壓Vge越高，會導致短路電流越大；如果直流母線電壓越高，則短路期間所累積的能量越高；如果起始結溫Tvj越高，則IGBT短路時的結溫也會越高。上述因素都會導致IGBT所能承受的短路時間縮短。如果實際短路時間過長，可能會損壞IGBT器件。數據手冊中只是給出了一個在指定條件下的最大短路時間作為參考。
影響短路能力因素的更多解釋請參考《廠商數據手冊給出的短路時間竟然說不準？真相是…》
英飛凌 IGBT7器件提供從短路能力的降額曲線，具體請參考《IGBT7的短路能力及降額曲線》
圖13
圖14
Q：對於壓接裝配的Easy/Econo系列的IGBT模塊是否可以選擇焊接方式？
A:根據國際標準IEC 60068 系列標準 Section 2 (260°C <= 10s)，該標準規定模塊的焊接溫度為260℃，焊接時間最長為10秒。在焊接過程中，不得超過223℃的最大允許外殼溫度。關於更多的詳細焊接要求，可參考英飛凌應用指南AN2005_06。
Q：對於TO247封裝IGBT單管的CTI值是多少？
A:在IGBT單管應用的PCB layout設計時，經常會參考CTI值來確定爬電距離。通常情況下，IGBT單管封裝的模具化合物屬於II類材料（CTI為400-600V），無法保證具體的CTI值，可以確定的是對於IGBT器件TO247封裝的CTI值範圍為400-600。對於IGBT模塊的CTI值，可以在對應產品的數據手冊中進行查看，如圖15。
圖15
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