IGBT单管数据手册参数解析——上

原创英飞凌工业半导体 2022-10-12 07:00

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IGBT是大家常用的开关功率器件，本文基于英飞凌单管IGBT的数据手册，对手册中的一些关键参数和图表进行解释说明，用户可以了解各参数的背景信息，以便合理地使用IGBT。

英飞凌的IGBT数据手册通常包含以下内容：

封面，包括器件编号，IGBT技术的简短描述，如果是带共封装续流二极管的器件，数据手册也会包括二极管的功能，关键参数，应用以及基本的封装信息。
最大额定电气参数和IGBT热阻/二极管热阻
室温下的电气特性，包括静态和动态参数
25°C和150°C或175°C时的开关特性
电气特性图表
封装图
关键参数的定义图
修订历史

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1.英飞凌IGBT的命名

参考已有公众号文章《英飞凌IGBT单管命名规则》

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2.最大额定值

集电极-发射极电压VCE

该值定义了基于IGBT大规模生产的统计分布的最低击穿电压极限。此外，它定义了在结温为25℃时，集电极和发射极之间的最大允许电压，超过这个极限就会导致器件的寿命缩短或器件失效。一般来说该值随结温的降低而降低。该值也可由数据手册静态特性部分规定的参数ICES来验证。

集电极直流电流IC

IC定义为集电极-发射极直流电流值，在起始壳温TC（通常为25°C或100°C）时，通流并导致IGBT达到最大结温Tvjmax。TC=100°C时的数值通常被用作器件的额定电流和器件的名称。

IC由下述公式得到：

参考《IGBT的电流是如何定义的》

集电极瞬态电流ICplus

ICplus被定义为开启和关闭时的最大瞬态电流。理论上，它受到特定时间内的功率耗散的限制，这使得器件可以在Tjmax≤175°C的最大结温限制内运行。然而，还有一些其他的限制，例如键合线配置、可靠性考虑以及避免IGBT闩锁的余量。对于最近推出的IGBT，它的瞬态电流通常是额定电流的3~4倍，以保持高水平的可靠性以及使用寿命。

此外，这个值也定义了SOA中的电流限制。

共封装续流二极管电流IF和瞬态电流IFplus

与集电极瞬态电流ICplus和集电极瞬态电流ICplus的定义相同，用于定义共封装续流二极管正向持续电流IF和二极管瞬态电流IFplus

栅极-发射极电压VGE

该参数定义了最大的栅极电压。第一种是静态电压，对应的是在不损坏器件本身的情况下连续工作的栅极电压最大值。第二种为瞬态电压，对应于瞬态运行时的最大值，可以应用在栅极上而不引起损坏或退化。如果栅极上的电压应力意外地高于指定值，可能会立即发生故障，也可能导致栅极氧化物退化，从而引起后续的故障。

耗散功率Ptot

Ptot描述了器件允许的最大功率耗散，与IGBT的芯片结到外壳的热阻相关，可以通过下述公式计算：

∆T定义为芯片结到外壳的温度差，∆T=Tvjmax-TC

运行结温Tvj

这个参数对设计极为重要。尽管一旦超过极限，器件可能不会立即失效，但将导致器件的退化和使用寿命的缩短。

热阻Rth(j-c)

热阻表征了功率半导体在稳定状态下的热行为。相应地，瞬态热阻抗Zth(j-c)描述了器件在瞬态下的热行为。IGBT/二极管的外壳被定义为整个器件的引线框架。FullPAK封装器件，中间的引脚被视为外壳。数据手册中所述的最大值考虑到了大规模生产时的公差，在产品设计时，需要使用该数值。

芯片结到外壳的热阻Rth(j-c)是确定半导体器件热行为的一个关键参数。然而，在任何设计中，将一个产品的热阻值同另一个产品的热阻值直接比较是不够的。如下图所示，在电源系统的热耗散路径中，芯片结到环境的热阻Rth(j-a)起着最重要的作用，因为它决定了工作条件下的热限制。它由外壳到环境的热阻Rth(c-h)+Rth(h-a)和从结到外壳的热阻Rth(j-c)组成。在大多数情况下，热界面材料、绝缘垫片和散热器的热阻在Rth(j-a)中占主导地位。对于IKW40N65H5，Rth(j-c)最大值为0.6K/W。典型的热界面材料（TIM）和绝缘垫片的热阻值可能低至1K/W，而散热器对环境的热阻可能从强制通风的1K/W到不通风的几十K/W。因此，与总的Rth(j-a)相比，Rth(j-c)的影响只在个位数百分比到几十个百分比之间。

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3. 静态特性

集电极-发射极击穿电压V(BR)CES

该参数定义了特定漏电流下的最小击穿电压。本例以IKW40N65H5为例，定义V(BR)CES时使用的漏电流IC=0.2mA，不同的芯片尺寸以及不同的IGBT技术标定时使用的漏电流都有所不同。集电极-发射极击穿电压随芯片结温变化。通常，对于大多数英飞凌IGBT产品来说，它是一个正的温度系数。

集电极-发射极饱和电压VCEsat

VCEsat代表额定电流流过IGBT时，集电极和发射极之间的电压降。它通常在15V栅极电压以及几个不同芯片结温下定义。

一般英飞凌最新的IGBT，VCEsat显示出正的温度系数，这样的特性有利于IGBT在高功率应用中的并联，电流会在并联器件之间自动均流。

二极管正向电压VF

二极管正向电压VF是指二极管在导通模式下的电压降。在数据手册的图表中，给出了典型的VF与温度的关系，如下图所示。请注意，二极管在额定电流下，通常具有轻微的负温度系数的特点。

栅极-发射极阈值电压VGE(th)

该参数表示可以启动集电极到发射极电流的最小栅极电压。一般来说，该电压随着芯片结温的升高而降低，这意味着VGE(th)拥有负温度系数，在并联使用时，需要仔细考虑这一点。

漏电流ICES和IGES

这些参数表示集电极和发射极之间的漏电流（ICES)和栅极和发射极之间的漏电流(IGES)的上限。它们通常由技术、生产和工艺决定。ICES与击穿电压相关。当器件处于关断模式，在集电极和发射极之间施加电压时，ICES在IGBT中流过，它引入了静态损耗。为了减少这些损耗的影响，ICES必须尽可能地保持低，低漏电流值也有助于提高最终产品的质量和可靠性。