IGBT模塊選型時(shí)比較關(guān)鍵的特性有柵極-發(fā)射級(jí)門(mén)檻電壓Vce(th)、柵極-發(fā)射極漏電流Ices、開(kāi)通時(shí)間ton、開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)、上升時(shí)間tr、關(guān)斷耗散功率Poff、關(guān)斷耗散能量Eoff、關(guān)斷時(shí)間toff、關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)、下降時(shí)間tf、結(jié)-殼熱阻Rthjc和結(jié)-殼瞬態(tài)熱抗阻Zthjc。測(cè)量出這些參數(shù)，就能詳細(xì)的推導(dǎo)出IGBT模塊的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性。下面我們就來(lái)介紹IGBT模塊特性的測(cè)量方法和電路原理。

1.柵極-發(fā)射極門(mén)檻電壓(Vce(th))的測(cè)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(cè)量IGBT模塊的柵極-發(fā)射極門(mén)檻電壓。

測(cè)量電路圖如下

測(cè)量方法:將IGBT模塊插入測(cè)量插座,增加?xùn)艠O發(fā)射極電壓Vce直到達(dá)到規(guī)定的集電極電流TC，測(cè)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(cè)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(cè)量 柵極-發(fā)射極漏電流。測(cè)量基本電路圖如下：

測(cè)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(cè)量?jī)x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(cè)量可用正的或負(fù)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(cè)量電壓V并用Ices=V/R計(jì)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(cè)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(fù)載電感L、柵極電阻R，輸入脈沖形狀：幅度、上升時(shí)間、寬度、脈沖重復(fù)率、積分時(shí)間t1),測(cè)量IGBT模塊的關(guān)斷耗散功率Poff和關(guān)斷耗散能量Eoff。測(cè)量基本電路如下

在實(shí)際布線(xiàn)時(shí)，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(shí)間應(yīng)小于0.1XR1XCice。Cice是被測(cè)IGBT模塊的輸入電容。R2是測(cè)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(cè)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(gè)脈沖關(guān)斷耗散能量是這兩個(gè)數(shù)值之積對(duì)時(shí)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(cè)定的每個(gè)脈沖關(guān)斷耗散能量之積。如下圖

4.開(kāi)通時(shí)間ton、開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)、上升時(shí)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(shí)間、重復(fù)頻率下，測(cè)量電阻負(fù)載時(shí)IGBT模塊的開(kāi)通時(shí)間。測(cè)量電路圖如下：

在實(shí)際布線(xiàn)時(shí)，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(shí)間應(yīng)小于0.1XR1XCice。Cice是被測(cè)IGBT模塊的輸入電容。R2是測(cè)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(cè)量方法：將IGBT模塊插入測(cè)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(dú)處時(shí)間間隔td()on、tr和ton，見(jiàn)下圖：

5. 關(guān)斷時(shí)間toff、關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)、下降時(shí)間t1

在規(guī)定的環(huán)境或管殼溫度、負(fù)載電感L、柵極電阻R1，輸入脈沖形狀：幅度、寬度、上升時(shí)間、重復(fù)頻率下測(cè)量感性負(fù)載時(shí)IGBT模塊的關(guān)斷時(shí)間。具體測(cè)量電路見(jiàn)下圖

在實(shí)際布線(xiàn)時(shí)，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(shí)間應(yīng)小于0.1XR1XCice。Cice是被測(cè)IGBT模塊的輸入電容。R2是測(cè)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(cè)量程序:將IGBT模塊插入測(cè)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(shí)間間隔td(off)、tf和toff，具體見(jiàn)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(cè)量IGBT模塊的結(jié)-殼熱阻Rthjc和結(jié)-殼瞬態(tài)熱抗阻Zthjc。測(cè)量圖如下

運(yùn)算放大器提供柵極-發(fā)射極電壓，由基準(zhǔn)電壓源Vref恒定該電壓。一個(gè)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(kāi)關(guān)s提高另一較大的集電極電流Ic2。電流測(cè)量電阻R1兩端的電壓控制經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器和IGBT柵極(線(xiàn)性運(yùn)行)的電流值，在切斷Ic2之后，IGBT模塊將回到Ic1的狀態(tài)。

測(cè)量程序：整個(gè)測(cè)量過(guò)程分兩步進(jìn)行

(1) 在較小的測(cè)量電流Ic1下，測(cè)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(shí)的測(cè)量

將待測(cè)IGBT模塊固定在適宜的散熱器上，測(cè)量其管殼溫度Tcase1，在該溫度測(cè)量電流參數(shù)的集電極-發(fā)射極電壓Vce3，接通功率開(kāi)關(guān)S，流過(guò)較大集電極電流Ice2,調(diào)整外部條件，使得在建立熱平衡時(shí)，Tcase1=常數(shù)=Tcase2，并測(cè)得VCE=VCE4。切斷Ic2，立即測(cè)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(cè)定瞬態(tài)熱阻抗Zthjc，畫(huà)出在IC2時(shí)Vce隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，用上述公式逐點(diǎn)計(jì)算Zthjc的值。

IGBT模塊靜態(tài)特性和動(dòng)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(kāi)關(guān)特性。

IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線(xiàn)。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(wú)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(dá)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(xiàn)。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開(kāi)啟電壓Ugs(th) 時(shí)，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(xiàn)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(kāi)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(shí)，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(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過(guò)MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時(shí)，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(kuò)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(guò)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(shí)，只有很小的泄漏電流存在。

動(dòng)態(tài)特性

IGBT 在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET 來(lái)運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds 下降過(guò)程后期， PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。td(on) 為開(kāi)通延遲時(shí)間，tri 為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開(kāi)通時(shí)間ton 即為td (on) tri 之和，漏源電壓的下降時(shí)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(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來(lái)進(jìn)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?yàn)镮GBT柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過(guò)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(dòng)電路提供的偏壓更高。

IGBT在關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間，td(off)為關(guān)斷延遲時(shí)間，trv為電壓Uds(f)的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)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(shí)間

t(off)=td(off)+trv十t(f)

式中：td(off)與trv之和又稱(chēng)為存儲(chǔ)時(shí)間。

IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來(lái)減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開(kāi)啟電壓約3～4V，和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)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。