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的關系。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，此時柵極電壓保持恒定，這種現象叫作密勒平臺。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。

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蕩。

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：增加驅動回路的功率損耗；降低電磁干擾；防止柵極振蕩；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，柵極驅動電路往往采用獨立的開通和關斷柵極電阻，如圖4所示。關斷回路串聯快恢復二極管，可以使柵極關斷電阻小于開通電阻，這主要是考慮對于某些功率器件來說，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電壓高于門檻電壓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于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系曲線，也可供設計者參考。但是為保證柵極電阻的選值真正適用于實際系統應用，最終應在實際系統中進行實驗驗證。

圖5

圖6

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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蕩現象。如圖7所示，驅動電流Ig流經驅動回路的柵極電阻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，振蕩就會發生。為了避免或抑制振蕩發生，最重要的一點就是，優化PCB驅動回路布局，減小驅動回路的寄生電感Lp。一方面可以縮短走線長度，使柵極回路盡可能短，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，驅動回路的返回端可以選擇連接Kelvin emitter 管腳。

圖7

圖8

在設計中，有時由于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，增加驅動回路的阻尼效應，也可以抑制柵極振蕩。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，柵極電阻應盡可能的靠近IGBT器件的柵極管腳。

Q

對于IGBT器件的最小開通時間是多少？

A：在IGBT或二極管芯片剛開始開通時，不會立即充滿載流子，在載流子擴散時關斷IGBT或二極管芯片，與載流子完全充滿后關斷相比，電流變化率dIc/dt或dIF/dt可能會增加。由于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，也可能引起二極管反向恢復電流增加，進而導致“Snap off”現象。是否會產生這種現象主要與芯片技術，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，也就是說對于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。

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管，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。由于大部分工業應用都是感性負載，所以必要時需要在IGBT芯片旁邊反并聯一個二極管芯片，或者直接選擇一個具有集成二極管芯片的IGBT器件。例如采用600V TRENCHSTOP Performance新技術的IGBT器件，主要應用于工業驅動，太陽能逆變器和大型家用電器等，我們分別提供帶并聯二極管和不帶并聯二極管的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器件在瞬態脈沖時的值，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，進行電壓電流乘積后積分得到。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器件需要驅動芯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為用于開通IGBT的正柵極電壓（V）；UGE,min為用于關斷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, 采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。如果采用不同的柵極電阻Rgon和Rgoff, 那么所需的峰值電流由較小的電阻確定，然后再選擇柵極驅動器。

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只適用于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。

英飛凌 IGBT7器件提供從短路能力的降額曲線

圖13

圖14

Q

對于壓接裝配的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。關于更多的詳細焊接要求，可參考英飛凌應用指南AN2005_06。

Q

對于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于II類材料（CTI為400-600V），無法保證具體的CTI值，可以確定的是對于IGBT器件TO247封裝的CTI值范圍為400-600。對于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。