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理解IGBT的連續(xù)集電極電流IC

時(shí)間：2021-11-04 16:20:07
關(guān)鍵字： IGBT    電流    集電極   
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[導(dǎo)讀]IGBT數(shù)據(jù)表中連續(xù)集電極電流IC，也稱為直流集電極電流，先對(duì)比一下二家不同公司的額定電流相同的IGBT產(chǎn)品（10A/600V）的數(shù)據(jù)表，可以看到標(biāo)稱的連續(xù)集電極電流IC的差異。廠家1：廠家2：在數(shù)據(jù)表中，25℃和100℃時(shí)，二個(gè)標(biāo)稱相同額定電流的IGBT，IC并不相同。那么，I...


IGBT數(shù)據(jù)表中連續(xù)集電極電流IC，也稱為直流集電極電流，先對(duì)比一下二家不同公司的額定電流相同的IGBT產(chǎn)品（10A/600V）的數(shù)據(jù)表，可以看到標(biāo)稱的連續(xù)集電極電流IC的差異。

廠家1：


廠家2：

在數(shù)據(jù)表中，25℃和100℃時(shí)，二個(gè)標(biāo)稱相同額定電流的IGBT，IC并不相同。那么，IGBT的數(shù)據(jù)表中，最大的連續(xù)集電極電流IC，到底如何定義呢？

數(shù)據(jù)表中IGBT的最大連續(xù)集電極電流標(biāo)示為IC，通常這個(gè)電流是一個(gè)計(jì)算值。當(dāng)器件的封裝和芯片的大小一定時(shí)，如對(duì)于底部有裸露銅皮的封裝TO220，D2PAK，DPAK等，那么器件的結(jié)到裸露銅皮的熱阻RthJC是一個(gè)確定值，根據(jù)硅片允許的最大工作結(jié)溫TJ和裸露銅皮的溫度TC，就可以得到器件允許的最大的功耗PD，如公式（1）所示。

（1）

IGBT流過最大的連續(xù)集電極電流IC時(shí)，集電極、發(fā)射極的飽和壓降為VCE(sat)，IC和VCE(sat)的乘積，等于IGBT允許的最大功耗PD。

（2）

因此，二式聯(lián)立，可以得到最大的連續(xù)集電極電流IC的計(jì)算公式：?

（3）

由公式（3），求解最大連續(xù)集電極電流IC的關(guān)鍵，就是如何選擇VCE(sat)，VCE(sat)是數(shù)據(jù)表中列出的集電極發(fā)射極的飽和壓降嗎？下面就以廠家1的產(chǎn)品為例，來看看計(jì)算的結(jié)果。


在產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表中，TJ為175℃，RJC=1.35K/W，由公式（1）可以分別得到TC=25℃、TC=100℃的最大功耗。


可以看到，數(shù)據(jù)表中，TC=25℃時(shí)，PD=110W，因此，計(jì)算結(jié)果是相符的。數(shù)據(jù)表中也列出了由公式（1）計(jì)算得到的TC和器件最大功耗PD關(guān)系，如圖1所示。


圖1：TC和最大功耗PD關(guān)系

?

數(shù)據(jù)表中，TJ=175℃時(shí)，VCE(sat)=1.8V，由公式（3）分別計(jì)算TC=25℃、TC=100℃的最大連續(xù)集電極電流IC。



數(shù)據(jù)表中，TC=25℃、TC=100℃的最大連續(xù)集電極電流IC，分別為24A、18A，因此，最大連續(xù)集電極電流IC的計(jì)算結(jié)果和數(shù)據(jù)表中的結(jié)果完全不一致，那么問題在哪？很明顯，是集電極發(fā)射極的飽和壓降VCE(sat)的選擇出了問題。

?

數(shù)據(jù)表中，TJ=25℃、TJ=175℃的VCE(sat)，測(cè)試的條件是VGE=15V，IC=10A。


?

因此，使用數(shù)據(jù)表中IC=10A的集電極發(fā)射極的飽和壓降VCE(sat)，來計(jì)算最大連續(xù)集電極電流IC，是不正確的。因?yàn)镮GBT的IC不同，飽和壓降VCE(sat)也不同，如圖2所示。


?圖2：TJ和飽和壓降VCE(sat)關(guān)系

?

根據(jù)數(shù)據(jù)表的圖2、圖3、圖4可以得到：

當(dāng)VGE=15V，IC=10A，TJ=25℃時(shí)，VCE(sat)=1.5V

當(dāng)VGE=15V，IC=10A，TJ=175℃時(shí)，VCE(sat)=1.8V


圖3：TJ=25℃, IC和VCE關(guān)系


圖4：TJ=175℃, IC和VCE關(guān)系

?

那么，如何確定最大連續(xù)集電極電流IC，所對(duì)應(yīng)的集電極發(fā)射極的飽和壓降VCE(sat)呢？

?

最大連續(xù)集電極電流IC的邊界限制條件是TJ=175℃，圖4就是TJ?=175℃時(shí)，IC和VCE的關(guān)系，就可以用圖4中曲線左邊的飽和區(qū)來確定：當(dāng)VGE=15V時(shí)，最大連續(xù)集電極電流IC，所對(duì)應(yīng)的集電極發(fā)射極的飽和壓降VCE(sat)。


在圖4中，把VGE=15V的曲線左邊的飽和區(qū)做線性化處理，如圖5所示，直線的斜率為（VCE作為縱坐標(biāo)Y軸）：

（4）


?圖5：TJ?=175℃，VGE=15V，IC和VCE關(guān)系

?

當(dāng)VGE=15V，VCE和IC關(guān)系（直線）表達(dá)式為：

（5）

?

聯(lián)立公式（3），得到：

（6）

?

求得：

（7）

?

由圖5，可以得到：VCE0=0.8V，R=0.122，由公式（7）分別計(jì)算TC=25℃、TC=100℃的最大連續(xù)集電極電流IC。


?

數(shù)據(jù)表?TC=25℃、TC=100℃的最大連續(xù)集電極電流IC分別為24A、18A，計(jì)算結(jié)果和數(shù)據(jù)表的值非常接近。上述計(jì)算誤差的原因可能在于：（1）數(shù)據(jù)表中電流值，計(jì)算時(shí)熱阻可能使用典型值；（2）基于圖5的求解，具有一定誤差，數(shù)據(jù)表基于輸出特性實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算然后進(jìn)行校正，結(jié)果更為準(zhǔn)確。


由圖5可知：當(dāng)VGE的電壓不同，IC也會(huì)不同。數(shù)據(jù)表中也列出了?TC和IC的關(guān)系曲線，它們不是線性的關(guān)系，。


圖6：IC和TC的關(guān)系


實(shí)際應(yīng)用中，這個(gè)電流還應(yīng)該受到封裝限制，封裝限制通常是指連接線的電流處理能力，導(dǎo)線直徑對(duì)于流過的電流也有一定的限制。封裝限制的集電極連續(xù)電流，通常小于上述計(jì)算的電流。對(duì)于額定的連接線的電流限制，常用方法是基于連接線的熔化溫度，可以參考下面的文章。

功率MOSFET鋁接合線的連續(xù)電流實(shí)驗(yàn)

功率MOSFET連續(xù)漏極電流額定值接合線限制


因此，IGBT數(shù)據(jù)表中的最大連續(xù)集電極電流IC，是基于最大結(jié)溫TJ、銅皮殼溫TC、器件熱阻RthJC的計(jì)算值，和實(shí)際測(cè)量值相差非常大，使用中只能供參考。


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