IGBT模塊選型時比較關(guān)鍵的特性有柵極-發(fā)射級門檻電壓Vce(th)、柵極-發(fā)射極漏電流Ices、開通時間ton、開通延遲時間td(on)、上升時間tr、關(guān)斷耗散功率Poff、關(guān)斷耗散能量Eoff、關(guān)斷時間toff、關(guān)斷延遲時間td(off)、下降時間tf、結(jié)-殼熱阻Rthjc和結(jié)-殼瞬態(tài)熱抗阻Zthjc。測量出這些參數(shù)，就能詳細的推導(dǎo)出IGBT模塊的動態(tài)特性和靜態(tài)特性。下面我們就來介紹IGBT模塊特性的測量方法和電路原理。
1.柵極-發(fā)射極門檻電壓(Vce(th))的測量和電路原理
在規(guī)定條件下(環(huán)境或管殼溫度、集電極-發(fā)射極電壓、集電極電流)，測量IGBT模塊的柵極-發(fā)射極門檻電壓。
測量電路圖如下
測量方法:將IGBT模塊插入測量插座,增加?xùn)艠O發(fā)射極電壓Vce直到達到規(guī)定的集電極電流TC，測量該電流下的柵極-發(fā)射極電壓。
2. 柵極-發(fā)射極漏電流IGES的測量方法和基本電路
在規(guī)定條件下(環(huán)境或管殼溫度、集電極-發(fā)射極電壓)，測量 柵極-發(fā)射極漏電流。測量基本電路圖如下：
測量方法:連接集電極電極和發(fā)射極的端子。電阻R的值控制在Vce/(100.Icesmax)?？缃釉赗兩端的電壓測量儀應(yīng)具有較高的靈敏度。而且輸入電阻大于100R，柵極-發(fā)射極漏電流為Ices=V/R，測量可用正的或負的柵極-發(fā)射極電壓。
將柵極-發(fā)射極電壓設(shè)置在規(guī)定值，測量電壓V并用Ices=V/R計算柵極-發(fā)射極漏電流值。
3.關(guān)斷耗散功率Poff和關(guān)斷耗散能量Eoff的測量和基本電路
在規(guī)定條件下(環(huán)境或管殼溫度、集電極-發(fā)射極供電電壓Vcce、負載電感L、柵極電阻R，輸入脈沖形狀：幅度、上升時間、寬度、脈沖重復(fù)率、積分時間t1),測量IGBT模塊的關(guān)斷耗散功率Poff和關(guān)斷耗散能量Eoff。測量基本電路如下
在實際布線時，寄生電感應(yīng)最小。G是具有低內(nèi)阻的矩形波發(fā)生器。發(fā)生器輸出脈沖的上升時間應(yīng)小于0.1XR1XCice。Cice是被測IGBT模塊的輸入電容。R2是測量電流的電阻，這里可以采用其它任何適當(dāng)?shù)碾娏魈结槨?/p>
測量方法:輸入脈沖幅度VGGM和供電電壓VCCE設(shè)置在規(guī)定值。在示波器屏上顯示集電極電流IC和集電極-發(fā)射極電壓VCE的波形，每個脈沖關(guān)斷耗散能量是這兩個數(shù)值之積對時間的積分。任一重復(fù)頻率的關(guān)斷耗散功率是該頻率和積分測定的每個脈沖關(guān)斷耗散能量之積。如下圖
4.開通時間ton、開通延遲時間td(on)、上升時間tr
在規(guī)定環(huán)境或管殼溫度、集電極峰值電流ICM、柵極電阻R1，輸入脈沖形狀：幅度、寬度、上升時間、重復(fù)頻率下，測量電阻負載時IGBT模塊的開通時間。測量電路圖如下：
在實際布線時，寄生電感應(yīng)最小。G是具有低內(nèi)阻的矩形波發(fā)生器。發(fā)生器輸出脈沖的上升時間應(yīng)小于0.1XR1XCice。Cice是被測IGBT模塊的輸入電容。R2是測量電流的電阻，這里可以采用其它任何適當(dāng)?shù)碾娏魈结槨?/p>
測量方法：將IGBT模塊插入測量插座。輸入脈沖幅值VGGM和供電電壓VCCE設(shè)置在規(guī)定值，在示波器屏幕上顯示柵極電壓VGE和集電極電流IC，從屏幕上可以獨處時間間隔td()on、tr和ton，見下圖：
5. 關(guān)斷時間toff、關(guān)斷延遲時間td(off)、下降時間t1
在規(guī)定的環(huán)境或管殼溫度、負載電感L、柵極電阻R1，輸入脈沖形狀：幅度、寬度、上升時間、重復(fù)頻率下測量感性負載時IGBT模塊的關(guān)斷時間。具體測量電路見下圖
在實際布線時，寄生電感應(yīng)最小。G是具有低內(nèi)阻的矩形波發(fā)生器。發(fā)生器輸出脈沖的上升時間應(yīng)小于0.1XR1XCice。Cice是被測IGBT模塊的輸入電容。R2是測量電流的電阻，這里可以采用其它任何適當(dāng)?shù)碾娏魈结槨?/p>
測量程序:將IGBT模塊插入測量插座，輸入脈沖幅值VGGM和供電電壓Vcce設(shè)置在規(guī)定值，在示波器屏幕上顯示柵極電壓VGE和集電極電流IC，從屏幕上可以讀出時間間隔td(off)、tf和toff，具體見下圖
6.結(jié)-殼熱阻Rthjc和結(jié)-殼瞬態(tài)熱抗阻Zthjc
在規(guī)定條件下測量IGBT模塊的結(jié)-殼熱阻Rthjc和結(jié)-殼瞬態(tài)熱抗阻Zthjc。測量圖如下
運算放大器提供柵極-發(fā)射極電壓，由基準電壓源Vref恒定該電壓。一個電流源提供嬌小的連續(xù)直流集電極電流Ic1，該電流正好足浴=以使降低i安吉-發(fā)射極電壓Vce在飽和值以上，在Ic1的頂端，電子功率開關(guān)s提高另一較大的集電極電流Ic2。電流測量電阻R1兩端的電壓控制經(jīng)過運算放大器和IGBT柵極(線性運行)的電流值，在切斷Ic2之后，IGBT模塊將回到Ic1的狀態(tài)。
測量程序：整個測量過程分兩步進行
(1) 在較小的測量電流Ic1下，測量集電極-發(fā)射極電壓Vce的溫度系數(shù)CT，將IGBT模塊放入烘箱或惰性流體中依次加熱至溫度T1和T2(T1
下圖給出了Vce-Tc的關(guān)系示意圖
(2)內(nèi)耗散功率階躍變化時的測量
將待測IGBT模塊固定在適宜的散熱器上，測量其管殼溫度Tcase1，在該溫度測量電流參數(shù)的集電極-發(fā)射極電壓Vce3，接通功率開關(guān)S，流過較大集電極電流Ice2,調(diào)整外部條件，使得在建立熱平衡時，Tcase1=常數(shù)=Tcase2，并測得VCE=VCE4。切斷Ic2，立即測得集電極-發(fā)射極電壓Vce5，在該瞬間可以推導(dǎo)出
如果要測定瞬態(tài)熱阻抗Zthjc，畫出在IC2時Vce隨時間的變化曲線，用上述公式逐點計算Zthjc的值。
IGBT模塊靜態(tài)特性和動態(tài)特性
IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性。
IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似.也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。
IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與Ugs呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。
IGBT 的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時，由于它的PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達林頓結(jié)構(gòu)，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時，通態(tài)電壓Uds(on) 可用下式表示：：
Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh
式中Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓，其值為0.7 ～1V ;Udr ——擴展電阻Rdr 上的壓降;Roh ——溝道電阻。
通態(tài)電流Ids 可用下式表示：
Ids=(1+Bpnp)Imos
式中Imos ——流過MOSFET 的電流。
由于N+ 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態(tài)壓降為2 ～ 3V 。IGBT 處于斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在。
動態(tài)特性
IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET 來運行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程后期， PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on) 為開通延遲時間，tri 為電流上升時間。實際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時間ton 即為td (on) tri 之和，漏源電壓的下降時間由tfe1 和tfe2 組成。
IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動電路時，必須基于以下的參數(shù)來進行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為IGBT柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動技術(shù)進行觸發(fā)，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動電路提供的偏壓更高。
IGBT在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因為MOSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，td(off)為關(guān)斷延遲時間，trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時間
t(off)=td(off)+trv十t(f)
式中：td(off)與trv之和又稱為存儲時間。
IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時不需要負柵壓來減少關(guān)斷時間，但關(guān)斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。
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