IGBT 基础教程：第 8 部分IGBT热和机械特性

接下来介绍IGBT的热和机械特性，让我们更好的了解和使用它。

R θJC — 结到外壳热阻

这是从芯片结到器件外壳外部的热阻。热量是设备本身功率损失的结果，热阻与基于这种功率损失的芯片的热度有关。之所以称为热阻，是因为使用电气模型根据稳态功率损耗预测温升。

以电流为模型的功率损耗流过以电阻器为模型的热电阻，产生温度升高，以电压升高为模型。可以串联额外的电阻器来模拟外壳到接收器和接收器到环境的热阻。不同物理位置的温度类似于热阻电路模型中节点的电压。因此，在稳态基础上，结温可以计算为

T J = T C + P损失XR θJC (7)

器件功率损耗是平均开关损耗、传导损耗和泄漏损耗的总和。通常，泄漏损失可以忽略不计。由于外壳到散热器和散热器到环境的热阻完全取决于应用(热化合物、散热器类型等)，因此数据表中仅指定了 R θJC。即使典型应用总是需要散热，有时也会指定 R θJA 。

最大连续直流电流、总功耗和频率与电流的关系等额定值基于最大 R θJC值。使用最大 R θJC值是因为它结合了裕度来解释正常的制造变化并提供一些应用裕度。行业趋势是减小最大 R θJC值与典型值之间的差值，该值通常不公布。

Z θJC — 结壳热阻抗

热阻抗是热阻的动态表亲。热阻抗考虑了器件的热容量，因此可用于估计瞬态功率损耗导致的瞬时温度。

瞬态热阻抗是通过向设备施加不同大小和持续时间的功率脉冲来确定的。结果是瞬态阻抗“曲线族”。请注意，曲线族基于最大 R·JC 值，其中包含前面讨论的余量。对于非矩形功率脉冲，必须使用分段线性近似。

可用频率与电流

可用频率与电流曲线是数据表中更有用的项目之一。尽管它仅限于数据表中指定的某些条件(电感式硬开关、50% 占空比、固定外壳和结温、固定测试电流、电压和栅极电阻)，但它提供了器件在一个应用程序。业界的趋势可能是使用可用频率与电流作为比较器件的品质因数，而不是过多地依赖 IC1 和 I C2额定值。

在电感式硬开关应用中，开关频率受到最小和最大脉冲宽度以及传导和开关损耗的限制。脉冲宽度限制是由于芯片中的瞬态热响应造成的。背靠背开关瞬态不允许芯片在较大的硬开关功率损耗尖峰之间冷却。此外，在以其他方式切换之前反复不允许切换瞬态完成可能会使芯片过热。根据工作温度和瞬态热阻抗，即使占空比非常小，管芯结也可能过热。最小占空比限制对于电机驱动器来说是一个挑战，例如在电动汽车中，在非常低的功率下，

为了达到基于最小脉冲宽度的频率限制，APT 定义了脉冲宽度的最小限制，使得总开关时间(开启和关闭开关时间的总和)必须不超过开关周期的 5% . 在大多数情况下，这是一个合理的限制，可以通过瞬态热分析来验证。问题是：总切换时间是多少?可以通过添加开启和关闭电流延迟时间以及电流上升和下降时间来估算。仅不考虑开启期间的电压下降时间，但这相对较短。总开关时间的 5% 开关周期限制无论如何都为这个近似值提供了充足的余量。

P cond是传导功率损耗(集电极电流乘以 VCE(on)，在该集电极电流乘以占空比)，tdiss 是消耗 Eon2 和 Eoff 以保持指定结温的最短时间。由于传导损耗基于固定的 50% 占空比假设，因此它与频率无关。然而，导通损耗越高，消耗开关损耗所需的时间就越多。所以 tdiss 的倒数是我们所追求的最大频率。

最后，给定集电极电流下的最大开关频率只是 f max1和 f max2的最小值。频率通常受热限制，除非电流非常低。再次需要注意的是，该曲线适用于被测设备 (DUT) 和钳位二极管在一组特定条件下的感应硬开关。

数据表外推示例

假设在开关模式电源应用中，我们希望在 200 kHz、300 伏特和 35% 占空比下硬开关 20 安培。栅极驱动电压为 15 伏，栅极驱动电阻为 15 欧姆。另外，假设我们只想让结达到 112°C，但仍然可以将外壳保持在 75°C。对于 600 伏器件，应用电压和 V CES之间有 300 伏的裕量，因此不需要雪崩能力。也不需要短路能力。它是一种桥式配置，因此需要一个带有集成反并联二极管的 Combi。哪个设备可以工作?

由于这是一个相对高频的应用，不需要非常坚固的器件，Power MOS 7 系列将是最佳选择。

看起来创建可用频率与电流图的设备可能会工作。但是，应用条件与数据表测试条件不匹配。我们可以推断数据表的结果，看看它是否适合应用程序。

由于频率最有可能受到热限制，我们将从计算 fmax2 开始。

在 20 安培和 125°C 时，VCE(on) 约为 2.1 伏。所以 20 安培时的传导损耗约为 2.1 X 20 X 0.35 = 14.7 瓦。

在 125°C、20 安培和 15 欧姆时，E on2介于 300 和 700 μJ 的 15 安培和 30安培E on2值之间。称之为 500 μJ。E off约为 270 μJ。在 112°C 时，这些值将略低于此值。

我们可以看到 112°C 时的 E on2和 E off约为 125°C 时的值的 80%。因此 E on2和 E off将分别约为 400 和 216 μJ。最后，我们必须调整电压差。数据表测试电压为 400 伏，应用电压仅为 300 伏。因此，我们只需相应地缩放 E on2和 E off。

由于这高于我们的 200 kHz 目标，因此到目前为止，该设备似乎可以工作。

实际上没有必要推断应用条件与数据表测试条件的 fmax1 是多少。可以使用延迟时间和电流上升和下降时间的图表来指示设备切换的速度。此外，fmax1 限制仅在电流相对较低的情况下发挥作用。事实上，对于某些设备，最大频率总是受到热限制(fmax2 总是小于 fmax1)。

重要的是要注意数据表图表呈现典型数据。零件之间以及测试电路之间肯定存在一些正常变化。在这个外推示例中，至少在工作频率方面有大约 32% 的余量。但真正重要的是设备在应用程序中的性能，结果表明该设备肯定值得测试。如果需要更多的设计余量，那么最好也测试下一个更大的设备。