富士IGBT模块应用手册.pdf

1、 Quality is our message 富士 IGBT模块 应用手册 富士电机电子设备技术株式会社 2004 年 5 月 RCH984 目 目 录 录 第 1 章 构造与特征 1. 元件的构造与特征1-2 2. 富士电机电子设备技术的 IGBT.1-3 3. 通过控制门极阻断过电流.1-5 4. 限制过电流功能 .1-6 5. 模块的构造 1-6 6. IGBT 模块的电路构造1-7 第 2 章 术语与特性 1. 术语说明2-2 2. IGBT 模块的特性 .2-4 第 3 章 应用中的注意事项 1. IGBT 模块的选定 .3-2 2. 静电对策与门极保护 3-2 3. 保护电路设计

2、.3-3 4. 散热设计3-3 5. 驱动电路的设计 .3-4 6. 并联连接3-4 7. 实际安装的注意事项 3-5 8. 保管、搬运上的注意事项.3-5 9. 其他 实际使用中的注意事项3-5 第 4 章 发生故障时的应对方法 1. 发生故障时的应对方法.4-1 2. 故障的判定方法 .4-7 3. 典型故障及其应对方法.4-8 第 5 章 保护电路设计方法 1. 短路（过电流）保护 5-2 2. 过电压保护 5-6 第 6 章 散热设计方法 1. 发生损耗的计算方法 6-2 2. 散热器（冷却体）的选定方法6-7 3. IGBT 模块的安装方法6-10 第 7 章 门极驱动电路设计方法

3、1. 驱动条件和主要特性的关系 .7-2 2. 关于驱动电流.7-3 3. 空载时间的设定 .7-5 4. 驱动电路的具体实例 7-6 5. 驱动电路设计、实际安装的注意事项 .7-7 第 8 章 并联连接 1. 电流分配的阻碍原因 8-2 2. 并联连接方法.8-3 第 9 章 评价、测定方法 1. 适用范围9-1 2. 评价、测定方法 .9-1 Quality is our message 1-1第 1 章 构造与特征 目 录 1. 元件的构造与特征1-2 2. 富士电机电子设备技术的 IGBT .1-3 3. 通过控制门极阻断过电流 .1-5 4. 限制过电流功能1-6 5. 模块的构造

4、.1-6 6. IGBT 模块的电路构造 1-7 前言 电动机可变速驱动装置和电子计算机的备用电源装置等电力变换器，随着双极型功率晶体管模块和功率 MOSFET 的出现 ，已 经起了 很大 的变化 。这 些使用 交换 元件的 各种 电力变 换器 也随着 近年 来节能 、设 备小 型化轻量化等要求的提高而急速地发展起来。但是，电力变换器方面的需求，并没有通过双极型功率晶体管 模块和功率 MOSFET 得 到完全的满足。双极型功率晶体管模块虽然可以得到高耐压、大容量的元件，但是 却有交换速度不够快的缺陷。而功率 MOSFET 虽然交换速度足够快了，但是存在着不能得到高耐压、大容 量元件等的缺陷。

5、IGBT （JEDEC 登录名称，绝缘栅双极晶体管）正是作为顺应这种要求而开发的，它作为一种既有功率 MOSFET 的高速 交换 功能又 有双 极型晶 体管 的高电 压、 大电流 处理 能力的 新型 元件， 今后 将有更 大的 发展 潜力。 第 1 章 构造与特征 1-2 1 元件的构造与特征 IGBT 的构造 和功率 MOSFET 的对比如图 1-1 所示 。IGBT 是 通过在功率 MOSFET 的 漏极上追加 p + 层而 构成的，从而具有以下种种特征。 (1) MOSFET的基本结构 漏极(D) 门极(G) 源极(S) (2) IGBT的基本结构 集电 极(C) 门极(G) 发射极(E

6、) nn n n n n n漏极 p 发射 极 n基极 n缓冲 n p p 层 (1) MOSFET的基本结构 漏极(D) 门极(G) 源极(S) (2) IGBT的基本结构 集电 极(C) 门极(G) 发射极(E) nn n n n n n漏极 p 发射 极 n基极 n缓冲 n p p 层图 1-1 功率 MOSFET与 IGBT的构造比较 1.1 电压控制型元件 IGBT 的理想等效电路，正如图 1-2 所示，是对 pnp 双 极型晶体管和功率 MOSFET 进行达林顿连接后形成的单 片型 Bi-MOS 晶体管。 因此，在门 极 发射极 之间外加正 电压使功率 MOSFET 导通时，pnp

7、 晶体管的基极 集电极间就连接上了低电 阻，从而使 pnp 晶体管处于导通状态。 此后，使门极 发射极之间的电压为 0V 时，首先功率 MOSFET 处于断路状态，pnp 晶体管的基极电流被切 断，从而处于断路状态。 如上所述，IGBT 和功率 MOSFET 一样，通 过电压信号 可以控制开通和关断动作。 集电 极 门极 pnp 发射 极 晶体管 图 1-2 理想的等效电路 第 1 章 构造与特征 1-3 1.2 耐高压、大容量 IGBT 和功率 MOSFET 同样，虽 然在门极上外加正电压即可导通，但是由于通过在漏极上追加 p + 层，在导 通状态下从 p + 层向 n 基 极注入空穴，从而

8、引发传导性能的转变，因此它与功率 MOSFET 相比，可以得到 极低的通态电阻。 解说（请参照图 1-1 阅读下面的解说） 下面对通过 IGBT 可以得到低通态电压的原理进行简单说明。 众所周知，功率 MOSFET 是通过在门极上外加正电压，使 p 基极层形成沟道，从而进入导通状态的 。 此 时，由于 n 发射极（源极）层和 n 基极层以沟道为媒介而导通，MOSFET 的漏极源极之间形成了单一的 半导体（如图 1-1 中的 n 型） 。它的电特性也就成了单纯的电阻。该电阻越低，通态电压也就变得越低。但 是，在 MOSFET 进行耐高压化的同时，n 基极层需要加厚， （n 基极层的作用是在阻断状

9、态下，维持漏 极 源极之间所外加的电压。因此，需要维持的电压越高，该层就越厚。 ）元件的耐压性能越高，漏极 源 极之间的电阻也就增加。正因为如此，高耐压的功率 MOSFET 的通态电阻变大，无法使大量的电流顺利通 过，因此实现大容量化非常困难。 针对这一点，IGBT 中 由于追加了 p + 层，所以从漏极方面来看，它与 n 基极层之间构成了 pn 二极管。因为 这个二极管的作用，n 基极得到电导率调制，从而使通态电阻减小到几乎可以忽略的值。因此，IGBT 与 MOSFET 相比，能更容易地实现大容量化。 正如图 1-2 所表示的理想的等效电路那样，IGBT 是 pnp 双极型晶体管和功率 MO

10、SFET 进行达林顿连接 后形成的单片级联型 Bi-MOS 晶体管。此外，IGBT 与双极型晶体管的芯片和功率 MOSFET 的芯片共同组 合成的混合级联型 Bi-MOS 晶体管的 区别就在于功率 MOSFET 部的通态电阻。在 IGBT 中功率 MOSFET 部的通态电阻变得其微小，再考虑到芯片间需要布线这一点，IGBT 比混合级联型 Bi-MOS 晶 体管优越。 2 富士电机电子设备技术的 IGBT 富士电机电子设备技术的 IGBT 技术 从 1988 年 开始产品化，至今一直在市场上供应。图 1-3 中表现了从第 一代到第五代 IGBT 产 品的开发过程以及运用技术。第一代至第三代的 I

11、GBT 中 运用了外延片，通过优化 生命期控制 和 IGBT 的细微化技术，进行了特性的改善。然后，第四代和第五代产品通过从外延片过渡 为 FZ （Floating Zone ）晶 片，实现了 大幅度的特 性改善。就 此，IGBT 的设计方针 与从前相比 ，发生了很 大 的转变。 首先，运用外延片的 IGBT （第三第四代的 600V 型为止的系列产品，被称为“ 击穿型” ）的基本设计思想 如下所述。IGBT 在导通时为了实现低通态电压化，从集电极侧注入大量的载流子，使 IGBT 内部充满高浓 度的载流子 ，再加上为 维持高电压 而专门设置 的 n 缓冲层，形成很薄 的 n - 层，从而实现低

12、通 态电压。为 了 实现快速交 换，也同时采用以 IGBT 内充满的载流子快速消失为目的的生命期控制技术（通过这些也能 实 现低交 换损 耗（Eoff ） ） 。但是 ，一 旦运用 了生 命期控 制技 术，即 使处 于通常 的导 通状态 ，由 于该技 术所 产 生 的效果（载流子的输送效率下降） ，出现了通态电压增加的问题，而通过载流子的更进一步高注入化可 以 解 决这个问题。总之，使用外延片技术的 IGBT 的基本设计理念可以用“ 高注入、低输送效率” 简单扼要地概括 出来。相对而言，使用 FZ 晶片的 IGBT （第四代 1200V 以 后的系列）采用了抑制来自集电极侧载流子的 注入，并通

13、 过降低注入效率来提高输送效率的逆向基本设计。在前面所述的使用外延片的 IGBT 的设计 理第 1 章 构造与特征 1-4 念“ 高注入、 低输送效率”中，通过对 生命期的控 制，强制性 地对好不容 易注入的载 流子进行抑 制，这不仅使 特性的改善受到了限制，而且通过对生命期的控制使通态电压特性的标准离差增大等问题，对于近年来要求 日益提高的并列使用所需的大容量化等方面非常不利。为了攻破此难题而开发的技术就是运用 FZ 晶片 的新 IGBT （NPT ：Non Punch Through （从第四代 IGBT 使用）/FS ：Field Stop （从第五代 IGBT 使用） IGBT ） 。

14、该 IGBT 不采用生命 期控 制，其 基本 的设计 思想 是通过 对集 电极（p + 层 ）的不 纯物 质浓度 进行 控 制，从而抑制载流子的注入效率。然而，要实现优于采用外延片的 IGBT 的特性，对于 1200V 的耐高压系 列 IGBT 也 要求能够实现一百数十 m 的超薄型产品（使用了 FZ 晶片的 NPT 和 FS-IGBT 中 n - 层的厚度 芯片（晶片）的厚度，该厚度越薄越能产生低通态电压） 。总之，将运用 FZ 晶片 IGBT 的 开发称为对芯 片厚度的挑战一点也不过分。 富士电机电子设备技术解决了这些课题，从第四代的 1200V 系IGBT 开始，实现了运用 FZ 晶片

15、NPT 构 造的“S 系列” 的产品化。 并且，进一 步开发对厚 薄度要求更 高的 600V 系列技术， 目前正在进 行 600V-U2 系列（第五代）的产品化。此外，在 1200V 系第五代“U 系列” 中，为了进行更优于 S 系列的 性能改善， 已经在将 NPT 构造改为 FS 构造。 所谓 FS 构 造，即不运用生命期控制技术，在遵循载流子的“ 低注入、高输送效率” 的基本设计理念的同时， 在 FZ 晶片上设置用以维持电压的 n 缓冲层，从而实现比 NPT 构造更 薄的 IGBT 构造。通过这种改变， 1200V 系U 系列实现 了优于 S 系 列的低通态电压特性，并且完成了它的产品化。

16、另外，此项技术还运用 在 1700V 系 的高耐压系列中，目前也正在着手产品化。 另外，富士电机电子设备技术也同时在进行着 IGBT 的特性改善所不可缺的表面构造的细微化（IGBT 是由 多个 IGBT 板块形成的，通过细微化处理，板块数量越多越能实现低通态电压） 。 到第四代产品为止一直是 运用平 面型 构造（ 平面 型制作 IGBT 的构造） 来推进 细微 化，从 而进 行特性 改善 的。但 是， 从第五 代产 品- 1200 、1700V 系列开始 ，通过开发和运用在 Si 表面开槽并构成 IGBT 的沟槽 IGBT 技术，打 破了细微化 的技术屏障，实现了前所未有的特性改善。图 1-4

17、 为 1200V 系列的特性改善的变迁情况。 1985 1985 1990 1990 1995 1995 2000 2000 2005 2005 2 nd Gen. 3 rd Gen. 4 th Gen. 5 th Gen. L, F- series J, N-series S, T-series U-series 击穿型（外延片/生命期控制） 细微加工技术 NPT 技术（FZ 晶片） FS 技术（FZ 晶片） 沟槽技术 薄型晶片技术 New device 1st Gen. 1985 1985 1990 1990 1995 1995 2000 2000 2005 2005 2 nd Gen.

18、3 rd Gen. 4 th Gen. 5 th Gen. L, F- series J, N-series S, T-series U-series 击穿型（外延片/生命期控制） 细微加工技术 NPT 技术（FZ 晶片） FS 技术（FZ 晶片） 沟槽技术 薄型晶片技术 New device 1985 1985 1990 1990 1995 1995 2000 2000 2005 2005 2 nd Gen. 3 rd Gen. 4 th Gen. 5 th Gen. L, F- series J, N-series S, T-series U-series 击穿型（外延片/生命期控制） 细

19、微加工技术 NPT 技术（FZ 晶片） FS 技术（FZ 晶片） 沟槽技术 薄型晶片技术 New device 1st Gen.图 1-3 富士电机电子设备技术制 IGBT 应用技术的变迁 第 1 章 构造与特征 1-5 1.5 2.0 2.5 3.0 0 2 4 6 8 10 12 5th Gen. (U-series) New-3rd Gen. (N-series) 1200V / 50A devices 4th Gen. (S-series) Vcc=600V / Ic=50A / Rg=Recomend value / V GE =+/-15V V CE (sat) V at Tj=1

20、25 deg.C Turn-off Loss at Tj=125deg.C mJ/pulse 图 1-4 平衡特性的改善 3 通过控制门极阻断过电流 在 IGBT 的产品化中最大的课题是，在有过电流流 过时，通过控制门极来阻断过电流（进行保护） ，从 而使“在不破坏元件的情况下安全地实施”变得可 能。 IGBT 的实际等效电路图如图 1-5 所示。这与图 1-2 的理想等效电路图不同，是由可控硅和功率 MOSFET 构成的。 图 1-5 中，一旦可控硅触发，由于可控硅不会由于 门极的阻断信号等而进行自动消弧，因此 IGBT 不 可能关断，导致因过电流而破坏元件（这被称为“电 性栓锁现象” ）

21、。 IGBT 中，为了防止这种“电性栓锁现象” ，充分运 用了以下的技术。 1 ）采用难以产生“电性栓锁现象”的构造（降低图 1-5 中基极发射极间的电阻） 。 2 ）通过优化 n 缓冲层的厚度和不纯物浓度来控制 pnp 晶体管的 hFE 。 3 ）通过导入降低寿命的因素来控制 pnp 晶体管的 hFE 。 通过以上的技术，IGBT 在能够维持充分保护过电流（短路）的最大耐受量的基础上，实现了高速交换、高 耐压、大容量化，同时得到了产品化。 集电极 发射极 门极 MOSFET pnp 晶体 管 npn 晶体管 可控硅 npn 晶体管 可控硅 图 1-5 等效电路 3rd Gen. New 5t

22、h Gen. 第 1 章 构造与特征 1-6树脂外盖 FWD 芯片 外部端子 浇注封装 材 （硅） 铝引 线 绝缘基板 树脂外壳 金属基 IGBT 芯片 树脂外盖 FWD 芯片 外部端子 浇注封装 材 （硅） 铝引 线 绝缘基板 树脂外壳 金属基 IGBT 芯片 图 1-7 引线端子连接构造 IGBT 模块 4 限制过电流功能 在 IGBT 的实际使用上，由于装置的短路事故等原因，会出现 IGBT 上有过电流流过的情况。一旦这种过电 流持续流过，元件自身的温度急剧上升，从而形成永久性的破坏。通常情况，从这种过电流开始流过到造成 破坏的时间用“短路最大耐受量”来表示。另外，过电流越小，相对应的短

23、路最大耐受量就变得越高（长） 。 IGBT 方面的设计，已经设定成 IGBT 自身能限制几倍于额定电流的短路事故时等的过电流，从而实现了在 检测出过电流后能够加以充分保护的高短路最大耐受量。 5 模块的构造 图 1-6 、图 1-7 中显示了具有代表性的 IGBT 模块构造。 图 1-6 中表示的端子台一体构造模块， 是通过采用外壳与外部电极端子的一体成 型构造，达到减少部件数量和减低内部配 线电感的目的。 另外，通过采用DCB （Direct Copper Bonding ）基板，得 到 低热阻和 高 抗折强 度的高可靠性产品。 图 1-7 表示的引线端子连接构造模块， 并不是通过锡焊使主端

24、子与 DCB 基板相 连的，而是采用引线连接的构造。由此达 到封装构造的简易化、小型化、超薄化、 轻量化和削减组装工数的目的。 此外，关于通过 IGBT 和 FWD 芯 片的最 合理化配置有效地实现热分散，以及通过 均等配置上下支路的 IGBT 元件使开通 时的过渡电流平衡均等，从而不增加开通 时的损耗等，已经在产品中得以实现。 树 脂外壳 树脂外 盖 绝缘 基板 IGBT 芯片 金属 基 辅助 端子 主端 子 FWD 芯片 浇注 封装 材 （硅 ） 树 脂外壳 树脂外 盖 绝缘 基板 IGBT 芯片 金属 基 辅助 端子 主端 子 FWD 芯片 浇注 封装 材 （硅 ）图 1-6 端子台一体

25、构造 IGBT模块 第 1 章 构造与特征 1-7 6 IGBT模块的电路构造 表 1-1 中列出了 IGBT 模块的电路构造实例。 表 1-1 IGBT 模块的电路构造实例 IGBT 模块示 例 名称 外观 等效 电路 特征 1 in 1 例: 1MBI600S-120 产品中分 别内 置有 1 个 IGBT 和 1 个 FWD 。 作为具有 电流 额定量 大的产品，经常通过并列连接后 用于更大 容量 的区域。 2 in 1 例: 2MBI450UE-120 产品中分 别内 置有 2 个 IGBT 和 2 个 FWD 。 一般以 3 台 为一组使 用，构成 PWM 变频器。另外， 也经常并列

26、使用电流额定量大的 产品。 6 in 1 例: 6MBI450U-120 产品中分 别内 置有 5 个 IGBT 和 5 个 FWD 。 还有内置 检测 温度用 热敏电阻的类型。一般以一台为 一组构 成 PWM 变 频器。 另外，适 于并 列使用的 EconoPACK+TM 也有很大的产 品阵容。 PIM 例: 7MBR75UB120 所谓的 7 in 1 ，就是产品中分别 有 7 个 IGBT 和 7 个 FWD 内置 于变频部和制动部。PIM 是在上 述 7 in 1 的基础上， 再内 置转换 器的产品。根据产品的不同，还 有内置检测温度用热敏电阻的类 型和内置电解电容器充电电路 中 使用

27、的可 控硅 的类型。 IGBT 模块基本上以 1 in 1 、2 in 1、6 in 1 、 （7 in 1 ） 、PIM 这 4 种形式存在的，分别构成表中所述的电路。 同时，各类型的特征也已在表内记述，供选择元件时参考。 Quality is our message 2-1第 2 章 术语与特性 目 录 1. 术语说明 2-2 2. IGBT模块的特性 .2-4 本章中对有关 IGBT 模块的术语与特性进行说明。 第 2 章 术语与特性 2-2 1 术语说明 下面对说明书等中使用的各种术语进行说明。 表 2-1 绝对最大额定值（Absolute Maximum Ratings） 术语 符号

28、 定义与说明 （条件请参照各种产品的说明书。 ） 集电极发射极间的电压 (Collector-Emitter voltage) VCES 在门极发射极之间处于短路状态时，集电极发射极间能够外 加的最大电压 门极发射极间的电压 (Gate-Emitter voltage) VGES 在集电极发射极间处于短路状态时，门极发射极间能够外加 的最大电压（通常20V max.） Ic 集电极的电极上容许的最大直流电流 Ic pulse 集电极的电极上容许的最大脉冲电流 -Ic 内置二极管上容许的最大直流正向电流 集电极电流 (Collector current) -Ic pulse 内置二极管上容许的最

29、大脉冲正向电流 最大损耗 (Collector power dissipation) Pc 每个元件上的 IGBT所容许的最大功率损耗 结温 (Junction temperature) Tj 使元件能够连续性工作的最大芯片温度（需要设计成即使在装置 中最坏的状态下，也不超出这个值） 保存温度 (Storage temperature) Tstg 在电极上不附加电负荷的状态下可以保存或输运的温度范围 FWD电流二次方时间积 (FWDI 2 t) I 2 t 在不破坏元件的范围内所允许的过电流焦耳积分值。过电流用商 用正弦半波（50、60Hz）一周期来规定。 FWD正向峰值浪涌电流 (FWDIF

30、SM) IFSM 在不破坏元件的范围内所允许的一周期以上商用正弦半波（50、 60Hz）的电流最大值 绝缘强度 (Isolation voltage) Viso 在电极全部处于短路状态时，电极与冷却体的安装面间所容许的 正弦波电压的最大有效值 Mounting 用特定的螺钉将元件和冷却体（散热器）间夹紧时所用的最大力 矩值 安装力矩 (Screw torque) Terminal 用特定的螺钉将端子和外部配线夹紧时所用的最大力矩值 注：在任何情况下都不能超过所记载的绝对最大额定值。 第 2 章 术 语与特性 2-3 表 2-2 电 特性（Electrical characteristics ）

31、 术语 符号 定义及说明 （条件请参照各种产品的说明书。 ） 集电极发射机间断路电流 (Zero gate voltae collector current) ICES 门极（下称 G）发射极（下称 E）间处于短路的状态 时，在集电极（下称 C）E 间外加指定的电压时 C-E 间的漏电流 门极发射极间的漏电流 (Gate-emitter leakage current) IGES CE 间处于短路状态时，在 GE间外加指定的电压 时 GE间的漏电流 门极发射极间的阈值电压 (Gate-emitter threshold voltage) VGE(th) 处于指定的 CE间的电流（下称集电极电流

32、）和 C E 间的电压（下称 VCE）之间的 GE 间的电压（下称 VGE） （CE间有微小电流开始流过时的 VGE值用于作 为衡量 IGBT开始导通时的 VGE值的尺度） 集电极发射极间的饱和电压 (Collector-emitter saturation voltage) VCE(sat) 在指定的 VGE下，额定集电极电流流过时的 VCE值 （通 常，VGE=15V，计算损耗时重要值） 输入电容 (Input capacitance) Cies CE 间交流性短路状态下，GE 间和 CE 间外加 指定电压时 G-E 间的电容 输出电容 (Output capacitance) Coes

33、GE 间交流性短路状态下，GE 间和 CE 间外加 指定电压时 CE间的电容 反向传输电容 (Reverse transfer capacitance) Cres 在 E 接地的情况下， GE 间外加指定电压时 CG间 的电容 静 态 特 性 二极管正向电压 (Forward on voltage) VF 在内置二极管中流过指定的正方向电流 （通常为额定电 流）时的正方向电压（与 VCE（sat）相同，也是计算 损耗时的重要值） 开通时间 (Turn-on time) ton IGBT 开通时，VGE上升到 0V 后，VCE下降到最大值 的 10%时为止的时间 tr IGBT开通时， 从集电极

34、电流上升到最大值的 10%时开 始，到 VCE下降到最大值的 10%为止的时间 上升时间 (Raise time) tr(i) IGBT开通时， 从集电极电流上升到最大值的 10%时开 始，到达到 90%为止的时间 关断时间 (Turn-off time) toff IGBT关断时，从 VGE下降到最大值的 90%时开始，到 集电极电流在下降电流的切线上下降到 10%为止的时 间 下降时间 (Fall time) tf IGBT关断时，集电极电流从最大值的 90%开始，在下 降电流的切线上下降到 10%为止的时间 反向恢复时间 (Reverse recovery time) trr 到内置二极

35、管中的反向恢复电流消失为止所需要的时 间 动 态 特 性 （ 详 细 内 容 请 参 照 图 ） 反向恢复电流 (Reverse recovery current) Irr (Irp) 到内置二极管中正方向电流断路时反方向流动的电流 的峰值 逆向偏压安全操作区 (Reverse bias safe operation area) RBSOA 关断时在指定的条件下， 能够使 IGBT断路的电流与电 压的区域（一旦超出该区域，元件可能遭到破坏） 门极电阻 (Gate-resistance) RG 门极串联电阻值（标准值记载在交换时间测定条件中） 门极充电电量 (Gate charge capaci

36、ty) Qg 为了使 IGBT开通，GE间充电的电荷量 第 2 章 术语与特性 2-4 表 2-3 热特性（Thermal resistance characteristics） 术语 符号 定义与说明 （条件请参照各产品的说明书。 ） Rth（j-c) IGBT或内置二极管的芯片与外壳间的热阻 热阻 （Thermal resistance) Rth（c-f) 运用散热绝缘混合剂，在推荐的力距值的条件下，将元件安装到冷却 体上时，外壳与冷却体间的热阻 外壳温度 （Case temperature) Tc IGBT 的外壳温度（通常情况指 IGBT 或内置二极管正下方的铜基下 的温度，具体说明请

37、参照第 6章。 ） 表 2-4 热敏电阻的特性（Thermistor characteristics） 术语 符号 定义与说明 （条件请参照各产品的说明书。 ） 热敏电阻 （Resistance) Resistance 指定温度下热敏电阻端子之间的电阻值 値 （B value) B 表示在电阻-温度特性上任意 2个温度间的电阻变化大小的常数 2 IGBT模块的特性 下面以 6MBI100UB-120（1200V/100A 元件、第五代 IGBT 模块）为例，对说明书等 记载的关于 IGBT 的种种特性进行说明。 2.1 静态特性 以 U 系列的 IGBT： 6MBI100UB-120 为例，

38、用图 2-1、 图 2-2 表示 VCE-IC （一般称为输出特性） 的 VGE依存性。 因为该特性表示 IGBT 在导通状态下下降电压（VCE） 和电流（IC）间的关系，所以形成了在导通状态下 IGBT 中发生的损耗。然而，虽然 VCE越低，发生的损耗越小， 但是由于该特性是根据温度（Tj）和 VGE的变化而随之 变化的，因此，请在充分考虑该特性的前提下进行装置 的设计。 一般情况，推荐在 VGE=15V、装置中发生的最大输出电流元件的 IC额定电流值的情况下使用。 再者，图 2-3 是将图 2-1 中的数据转化成 VCE-VGE特性的 IC依存性的曲线图。可以从中看出 VCE（损耗） 急剧

39、增加到极限时 VGE的大体标准值。 Collector current : Ic A Collector current vs. Collector-Emitter voltage (typ.) Tj=25 C/chip 0 50 100 150 200 250 012345 Collector-Emitter voltage : V CE V VGE=20V 15V 12V 10V 8V Collector current : Ic A Collector current vs. Collector-Emitter voltage (typ.) Tj=25 C/chip Collector

40、current : Ic A Collector current vs. Collector-Emitter voltage (typ.) Tj=25 C/chip 0 50 100 150 200 250 012345 Collector-Emitter voltage : V CE V VGE=20V 15V 12V 10V 8V图 2-1 V CE （sat）-I C 特性（Tj=25） 第 2 章 术语与特性 2-52.2 交换特性 由于 IGBT 一般用于起交换作用的用 途，因此充分理解开通和关断时的交换 特性非常重要。另外，由于该特性随各 种参数而变化，因此也有必要在考虑该 特性的

41、前提下进行装置的设计。 该交换特性可以大致分为交换时间和交 换损耗两方面。 首先，图 2-5、表 2-2（动态特性项目） 对交换时间进行了定义。有 ton、tr、tr （i） 、toff、tf、trr、Irr 七个项目。该 特性可以通过图 2-4 所示的斩波电路测 定。 图 2-6、图 2-7、图 2-16 表示了交换时 间和集电极电流的关系，图 2-8 表示了交换时间和门极电阻的关系。由于这样的交换时间随集电极电流、温 度（Tj） 、门极电阻 RG的变化而变化，设计装置的时候希望作充分考虑。比如说，在交换时间（特别是 toff） 变长的条件（RG 较大等）下使用，可能出现由于空载时间不足而引

42、发串联支路短路（即：在一头的 IGBT 关断前，另一头的 IGBT 已经导通，从而流过过大的电流的不良情况。详细说明请参考第 4 章。 ）等不良情 况，从而导致元件遭到破坏。另外，也可能在 tr 过短的条件下（由于 RG过小等原因）使用的话，相反，瞬 态的电流变化（dIc/dt）变大，由于电路中的电感（Ls）而产生的尖峰电压（=LsdIc/dt）超出了 RBSOA （请参考本章 2.4）范围而导致元件遭到破坏，需要充分注意。 另一方面，交换损耗（Eon、Eoff、Err）是在 IGBT 交换时（开通、关断时）发生的。该特性正如图 2-9、 图 2-10 所示靠温度（Tj） 、IC、RG而变化。

43、其中特别是对 RG的选定非常重要，如果过大，不但交换损耗变 大，而且容易引起前面所述的由于空载时间不足而产生的串联支路短路。 Collector current vs. Collector-Emitter voltage (typ.) Tj=125C/chip 0 50 100 150 200 250 0 1 2 3 4 5 Collector current : Ic A Collector-Emitter voltage : V CE V VGE=20V 15V 12V 10V 8V 图 2-2 V CE（sat）- I C特性 （Tj=125C） Collector-Emitter vo

44、ltage vs. Gate-Emitter voltage (typ.) Tj=25C/chip 0 2 4 6 8 10 5 10 15 20 25 Collector Emitter voltage : V CE V Gate Emitter voltage : V GE V Ic=200A Ic=100A Ic=50A图 2-3 V CE- V GE特性 （Tj=25C） +15V -15V V GE I C V CE 15V C VCC 负载L V -15V +15V -15V V GE I C V CE 15V C VCC 负载L V -15V图 2-4 交换特性测试电路 第 2

45、章 术语与特性 2-6 反之，在为了使交换损耗降到最低而将 RG变小时，有可能出现前面所述的激烈的尖峰电压（=LsdIc/dt） 的问题。从这里看出，对于选定 RG，主电路的电感（Ls）非常重要。由于该数值越低，关于选定 RG的探讨 就变得越容易（即使 RG小，尖峰电压也不容易出现） ，因此推荐大家尽量将 Ls 的值设计得小一些。 另外，由于决定 RG时必须考虑与 IGBT 的驱动电路中电容的协调性，因此，请在应用本章 2.3 的电容特性 并进行充分探讨的基础上对 RG进行选定。 Switching time vs. Collector current (typ.) Vcc=600V, VGE

46、= 15V, Rg=5.6 , Tj= 25 C 10 100 1000 10000 0 50 100 150 200 Switching time : ton, tr, toff, tf nsec Collector current : Ic A tf to toff tr n Switching time vs. Collector current (typ.) Vcc=600V, VGE= 15V, Rg=5.6 , Tj= 25 C 10 100 1000 10000 0 50 100 150 200 Switching time : ton, tr, toff, tf nsec Co

47、llector current : Ic A tf to toff tr n图 2-6 交换时间-I C 特性 (Tj=25C) Switching time vs. Collector current (typ.) Vcc=600V, V GE = 15V, Rg=5.6 , Tj=125 C 10 100 1000 10000 0 50 100 150 200 Switching time : ton, tr, toff, tf nsec Collector current : Ic A toff ton tr tf Switching time vs. Collector current

48、 (typ.) Vcc=600V, V GE = 15V, Rg=5.6 , Tj=125 C 10 100 1000 10000 0 50 100 150 200 Switching time : ton, tr, toff, tf nsec Collector current : Ic A toff ton tr tf图 2-7 交换时间-I C 特性 (Tj=125C) V CE 0 0 ton tr tr(i) toff tf 90% 10% 90% 0% 10% 10% 90% trr Irp V GE Ic图 2-5 交换时间 第 2 章 术语与特性 2-7 Switching t

49、ime vs. Gate resistance (typ.) Vcc=600V, Ic=100A, V GE = 15V, Tj= 25 C 10 100 1000 10000 0.1 1.0 10.0 100.0 1000.0 Switching time : ton, tr, toff, tf nsec Gate resistance : Rg tf toff ton tr Switching time vs. Gate resistance (typ.) Vcc=600V, Ic=100A, V GE = 15V, Tj= 25 C 10 100 1000 10000 0.1 1.0 10.0 100.0 1000.0 Switching time : ton, tr, toff, tf nsec Gate resistance : Rg tf toff ton tr图 2-8 交换时间-R G 特性 Switchi