以下內(nèi)容發(fā)表在「SysPro系統(tǒng)工程智庫(kù)」知識(shí)星球
- 關(guān)于IGBT關(guān)鍵特性參數(shù)應(yīng)用指南 v3.0版本
- 「SysPro | 動(dòng)力系統(tǒng)功能解讀」專欄內(nèi)容,全文15500字
- 文字原創(chuàng),素材來(lái)源:infineon, NXP, ROHM,網(wǎng)絡(luò)
- 非授權(quán)不得轉(zhuǎn)載,或進(jìn)行散播,或用于任何形式商業(yè)行為
- 本篇為節(jié)選,完整內(nèi)容會(huì)在知識(shí)星球發(fā)布,詳細(xì)分布見目錄頁(yè)
導(dǎo)語(yǔ):在電力電子領(lǐng)域,IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)作為核心功率器件,其性能直接決定了系統(tǒng)的效率與可靠性。本文以英飛凌IGBT模塊規(guī)格書為切入點(diǎn),系統(tǒng)解析了規(guī)格書的關(guān)鍵參數(shù)、核心電氣特性、二極管配套參數(shù)及熱性能指標(biāo)。通過(guò)結(jié)合實(shí)際工程案例,重點(diǎn)闡述了參數(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵注意事項(xiàng),例如殼溫對(duì)電流標(biāo)定的影響、雜散電感導(dǎo)致的電壓過(guò)沖、反向恢復(fù)電流的損耗機(jī)制等。以上內(nèi)容為關(guān)于英飛凌IGBT DataSheet的實(shí)踐應(yīng)用筆記,本次是第三次更新 v3.0,較2.0版本,增加了一些實(shí)際應(yīng)用中這些關(guān)鍵參數(shù)的理解和應(yīng)用方法,并進(jìn)行了案例說(shuō)明,以輔助我們更好地獲取一些系統(tǒng)層面關(guān)心的性能數(shù)據(jù)。本篇在實(shí)踐工作中有多次用到,或許會(huì)有些價(jià)值。

圖片來(lái)源:Infineon
目錄
上篇:額定參數(shù)、翻篇工作區(qū)、脈沖電流、飽和壓降、閾值電壓
1. 規(guī)格書首頁(yè)的基本介紹
1.1 規(guī)格書首頁(yè)的基本介紹
1.2 模塊命名規(guī)則
2 IGBT相關(guān)參數(shù)
2.1 最大額定值:VCES, VGES, ICnom, ICRM
2.1.1 最大阻斷電壓值:VCES
2.1.2 最大峰值電壓:VGES
2.1.3 標(biāo)稱額定電流值:ICnom
2.1.4 可重復(fù)導(dǎo)通峰值電流:ICRM
2.2 反偏安全工作區(qū):RBSOA
2.2.1 可安全關(guān)斷的最大電流值
2.2.2 可承受的最大電壓過(guò)沖值
2.3 脈沖電流:ICRMvs. IRBSOA(知識(shí)星球發(fā)布)
2.3.1 集電極可重復(fù)導(dǎo)通的峰值電流:ICRM
2.3.2 可安全關(guān)斷的最大電流:IRBSOA
2.4 CE級(jí)飽和壓降:VCEsat(知識(shí)星球發(fā)布)
2.4.1 定義
2.4.2 VCEsat和哪些因素相關(guān)
2.4.3 VCEsat的關(guān)鍵應(yīng)用價(jià)值:IGBT并聯(lián)
2.5 柵極閾值電壓:VGEth(知識(shí)星球發(fā)布)
2.5.1 定義
2.5.2 VGEth和哪些因素相關(guān)
2.5.3 VGEth的關(guān)鍵應(yīng)用價(jià)值:IGBT并聯(lián)
中篇:IGBT開關(guān)特性參數(shù)、Diode特性參數(shù)
2.6 開關(guān)特性參數(shù)(知識(shí)星球發(fā)布)
2.6.1 柵極電荷:QG
2.6.2 內(nèi)部門級(jí)電阻:RGint
2.6.3 外部門級(jí)電阻:RGext
2.6.4 外部門級(jí)電容:CGE
2.6.5 開關(guān)時(shí)間:tdon, tr, tdoff, tf
2.6.6 開關(guān)損耗:Eon, Eoff
2.6.7 短路電流:ISC
2.6.8 短路特性的影響因素
3. Diode相關(guān)參數(shù)(知識(shí)星球發(fā)布)
3.1 反向重復(fù)峰值電壓:VRRM
3.2 正向額定電流值:IF
3.3 正向重復(fù)峰值電流:IFRM
3.4 浪涌能力:I2t
3.5 正向壓降:VF
3.6 開關(guān)特性參數(shù)
3.7 二極管的安全工作區(qū)(SOA)
3.8 二極管 · 小結(jié)
下篇:熱性能參數(shù)、模塊級(jí)參數(shù)、NTC參數(shù)
4. 熱性能參數(shù)(知識(shí)星球發(fā)布)
4.1 芯片熱量的傳遞路徑
4.2 熱阻:Rthjc, Rthch
4.3 瞬態(tài)熱阻抗:Zthjc
4.4 熱性能參數(shù) · 小結(jié)
5. 模塊整體相關(guān)參數(shù)(知識(shí)星球發(fā)布)
5.1 絕緣性能參數(shù)——模塊的“電氣安全防線”
5.2 結(jié)構(gòu)與安裝參數(shù)——模塊的“物理連接保障”
5.3 雜散電感LS——模塊的“隱形電氣干擾源”
6. NTC相關(guān)參數(shù)(知識(shí)星球發(fā)布)
注: 本篇為節(jié)選,完整內(nèi)容會(huì)在知識(shí)星球發(fā)布
01規(guī)格書首頁(yè)的基本介紹
我們先看看規(guī)格書的首頁(yè)。模塊規(guī)格書的首頁(yè),會(huì)提供該模塊最關(guān)鍵的參數(shù)信息:
在首頁(yè)最上面:模塊的具體型號(hào)、模塊的封裝種類、芯片在模塊中的電路拓?fù)?/strong>、電壓電流等級(jí)、還有規(guī)格書的狀態(tài)。 在Statusof Datasheet,說(shuō)明了數(shù)據(jù)類型,一共分為三類:
目標(biāo)數(shù)據(jù):代表工程樣品;
初步數(shù)據(jù):代表個(gè)別數(shù)據(jù)待定,可以理解成模塊已進(jìn)入量產(chǎn)階段;
最終數(shù)據(jù):代表成熟樣品數(shù)據(jù)。
在首頁(yè)的下半段,模塊的典型應(yīng)用、突出的電氣特性、機(jī)械特性、條碼信息等。

圖片來(lái)源:英飛凌
那么,上圖中Title中的模塊是如何命名的呢?這背后的規(guī)則是什么?
以下為模塊的命名規(guī)則解釋:根據(jù)產(chǎn)品的具體型號(hào)直接識(shí)別出模塊的電路拓?fù)?、電壓及電流等?jí)、封裝種類、芯片技術(shù)等主要參數(shù)信息。

圖片來(lái)源:英飛凌
02
IGBT相關(guān)參數(shù)
下面我們看看規(guī)格書的核心內(nèi)容:以PrimePACK FF1400R17IP4P為例,下圖是IGBT模塊的技術(shù)參數(shù)。
圖片來(lái)源:英飛凌
2.1 最大額定值:VCES, VGES, ICnom, ICRM
我們逐一解釋下上述規(guī)格參數(shù)的含義,拓展解釋下應(yīng)用中對(duì)這一參數(shù)要如何理解?
2.1.1 最大阻斷電壓值:VCES指的是:C 級(jí)(集電極)和 E 級(jí)(發(fā)射極)之間所能承受的最大阻斷電壓值。注意:這里指模塊內(nèi)部芯片級(jí)的電壓承受能力,而非模塊功率端子上可以施加的最大電壓。
這個(gè)參數(shù)非常關(guān)鍵,一旦實(shí)際電壓超過(guò)了VCES,芯片就可能像脆弱的玻璃一樣被擊穿損壞,整個(gè) IGBT 模塊也就無(wú)法正常工作啦。所以在設(shè)計(jì)電路和使用 IGBT 模塊時(shí),工程師們必須要確保加在 C 級(jí)和 E 級(jí)之間的電壓,時(shí)刻都在 VCES允許的范圍內(nèi)。
2.1.2 最大峰值電壓:VGES
指的是:G 極(柵極)和 E 級(jí)(發(fā)射極)之間所能承受的最大峰值電壓。
在 IGBT 模塊的運(yùn)作中,柵極就像是一個(gè) “控制閥門”,控制著電流能否從集電極順利流向發(fā)射極。而VGES規(guī)定了這個(gè) “控制閥門” 能承受的電壓極限。如果施加在 G 極和 E 極之間的電壓超過(guò)了VGES,就好比閥門承受了過(guò)大的壓力,可能會(huì)導(dǎo)致閥門損壞,進(jìn)而使得 IGBT 模塊的控制功能出現(xiàn)故障。比如在一些高頻開關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景中,如果對(duì)VGES這個(gè)參數(shù)把握不準(zhǔn),很容易因?yàn)殡妷悍逯颠^(guò)高而損壞 IGBT 模塊,影響整個(gè)電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖片來(lái)源:ROHM
2.1.3 標(biāo)稱額定電流值:ICnom
指的是:模塊內(nèi)IGBT芯片的電流能力,也就是我們通常所說(shuō)的標(biāo)稱額定電流值。
在 IGBT 模塊中,這個(gè)數(shù)值反映了芯片在正常情況下能夠持續(xù)穩(wěn)定通過(guò)的電流大小。舉個(gè)例子,一個(gè) FF450R17ME3 的大功率 IGBT 模塊,它內(nèi)部是由3 個(gè) 150A 芯片并聯(lián)構(gòu)成的,所以它的標(biāo)稱值ICnom就是 450A 。
需要注意的是,ICnom是模塊在通直流時(shí)的理論計(jì)算值 ,其計(jì)算方法如下:
1. 首先,要假定模塊殼溫及結(jié)溫 Tvj|SysPro備注:Tvj是怎么獲得的,后面會(huì)詳細(xì)解釋
2. 接著,根據(jù) IGBT芯片的結(jié)殼熱阻 RthJC和特定的理論公式,算出在當(dāng)前條件下可承受的總功耗 Ptot |SysPro備注:這里的結(jié)殼熱阻 R_thJC,就像是熱量從芯片內(nèi)部傳遞到外殼的 “阻力”,阻力越小,熱量越容易傳出去

3. 最后,用總功耗 Ptot除以該條件下對(duì)應(yīng)的VCEsat值,就能得出ICnom值。

從上面的公式可以看出,ICnom值的標(biāo)定是由殼溫 TC及結(jié)殼熱阻 RthJC的大小共同決定的。這也解釋了我們?yōu)槭裁茨敲聪虢档蜌睾蜔嶙瑁?/strong>同樣的芯片及最大結(jié)溫,只是降低標(biāo)定條件中的殼溫 TC,就可以使得標(biāo)稱電流 ICnom變大很多。
圖片來(lái)源:英飛凌
2.1.4: 可重復(fù)導(dǎo)通峰值電流:ICRM
CE之間可重復(fù)導(dǎo)通的峰值電流,一般為 ICnom值的兩倍。在 IGBT 模塊中,當(dāng)電路出現(xiàn)一些瞬間的大電流需求時(shí),只要這個(gè)電流值不超過(guò) ICRM,模塊就能正常工作,不會(huì)因?yàn)殡娏鬟^(guò)大而損壞。例如在電機(jī)啟動(dòng)的瞬間,會(huì)產(chǎn)生較大的電流沖擊,這時(shí)就需要 IGBT 模塊的ICRM能夠滿足這種瞬間大電流的需求。
|SysPro備注,一些IGBT選型補(bǔ)充說(shuō)明:
在選擇 IGBT 模塊、比較芯片的電流能力時(shí),有個(gè)非常重要的點(diǎn)需要特別注意:一定要將不同模塊的電流值,根據(jù)公式折算到同樣的殼溫 TC條件下去比較,這樣的比較才有意義!
因?yàn)榫拖袂懊嬲f(shuō)的,殼溫 TC對(duì)ICnom值的影響很大,如果不把殼溫條件統(tǒng)一,直接比較不同模塊的ICnom值,得出的結(jié)果是不準(zhǔn)確的。比如,有兩個(gè) IGBT 模塊,A 模塊在殼溫 90℃時(shí) ICnom是300A,B 模塊在殼溫 135℃時(shí) ICnom是 350A,乍一看好像 B 模塊的電流能力更強(qiáng),但如果把它們都折算到相同的殼溫條件下,可能結(jié)果就不一樣了。所以,在實(shí)際的工程應(yīng)用中,工程師們?cè)谶x型時(shí)必須要進(jìn)行這樣的折算,才能選出真正符合需求的 IGBT 模塊。
圖片來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)
2.2 反偏安全工作區(qū):RBSOA
反偏安全工作區(qū)(RBSOA),簡(jiǎn)單說(shuō)就是給 IGBT 模塊 “定規(guī)矩”:當(dāng) IGBT 模塊關(guān)斷時(shí),只要實(shí)際結(jié)溫沒(méi)超過(guò)允許的最大運(yùn)行結(jié)溫Tvjop,它能重復(fù)、安全關(guān)斷的最大電流值,以及能扛住的最大電壓過(guò)沖值,就由這個(gè)工作區(qū)來(lái)界定。這里面設(shè)計(jì)有兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù),如下圖所示:
可安全關(guān)斷的最大電流值
可承受的最大電壓過(guò)沖值

圖片來(lái)源:英飛凌
注:Datasheet中注明了Module和Chip各自的IC在不同VCE之間的變化,這里解釋下:
- IC, Module:從模塊外部測(cè)量到的電流(如輔助端子)
- IC, Chip:每個(gè)芯片可承受的最大I_C
下面詳細(xì)解釋下各自的含義和應(yīng)用中的關(guān)鍵:
可安全關(guān)斷的最大電流值
為ICnom模塊標(biāo)稱額定電流的兩倍。如下圖,模塊標(biāo)稱能穩(wěn)定通 1400A,關(guān)斷時(shí)這個(gè)安全關(guān)斷的最大電流就是 2800A 。
可承受的最大電壓過(guò)沖值
在芯片層面,這個(gè)值就是規(guī)格書里的VCES(C、E 極間最大阻斷電壓)。
|SysPro備注,實(shí)際應(yīng)用中,要注意下面幾點(diǎn):
1.由于模塊內(nèi)部從芯片到功率端子之間雜散電感的客觀存在,以及電流在關(guān)斷時(shí)的負(fù)di/dt存在,從而會(huì)造成模塊外部端子上和內(nèi)部芯片上,實(shí)際可承受的最大過(guò)充電壓值的差異ΔV(實(shí)際過(guò)壓會(huì)更大)
|SysPro備注,舉個(gè)例子:假設(shè)芯片級(jí) VCES是 1200V,模塊內(nèi)部雜散電感 L=20nH,關(guān)斷時(shí) di/dt = 1000A/μs ,根據(jù) ΔV = -di/dt × L ,算出來(lái) ΔV = -1000A/μs × 20nH = -20V(負(fù)號(hào)代表電壓變化方向 ),那外部端子實(shí)際過(guò)壓可能就變成 1220V ,比芯片級(jí)的 VCES更高,這就得多留意!
2.ΔV=-di/dt ×L,從這里可以看出:關(guān)斷時(shí)侯電流值越大,-di/dt也越大,這也會(huì)導(dǎo)致ΔV上升,實(shí)際應(yīng)用中要特別注意這個(gè)差異。
3.我們?cè)谧?strong>雙脈沖測(cè)試(模擬 IGBT 開關(guān)過(guò)程的測(cè)試)時(shí),重點(diǎn)要關(guān)注這個(gè) ΔV 會(huì)不會(huì)飆升,要是超太多,模塊可能就扛不住 “電壓顛簸” 導(dǎo)致?lián)p壞!

圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)[下文]
|SysPro備注,關(guān)于這一點(diǎn)曾多次在文章中提及過(guò),參考:電驅(qū)系統(tǒng)雙脈沖測(cè)試,從入門到工程實(shí)踐全解析:測(cè)試目的/原理/策略、器件選型/電路優(yōu)化/時(shí)間參數(shù)計(jì)算、實(shí)踐指南
2.3 脈沖電流:ICRMvs. IRBSOA
(知識(shí)星球中發(fā)布)
通過(guò)2.2章節(jié)中定義的IGBT反偏安全工作區(qū),我們發(fā)現(xiàn)IRBSOA電流也是2800A,即ICnom的兩倍,在2.1中我們提到過(guò)ICRM也是ICnom的兩倍,這兩者有什么區(qū)別呢?主要是表征的物理意義不同,我們?cè)敿?xì)說(shuō)明下。2.3.1集電極可重復(fù)導(dǎo)通的峰值電流:ICRM...2.3.2可安全關(guān)斷的最大電流:IRBSOA...
2.4 CE級(jí)飽和壓降:VCEsat
(知識(shí)星球中發(fā)布)
2.4.1 VCEsat定義...
2.4.2 VCEsat和哪些因素相關(guān)...
2.4.3 VCEsat的關(guān)鍵應(yīng)用價(jià)值:IGBT并聯(lián)...
2.5 柵極閾值電壓:VGEth
(知識(shí)星球中發(fā)布)
2.5.1 VGEth定義...
2.5.2 VGEth和哪些因素相關(guān)...
2.5.3 VGEth的關(guān)鍵應(yīng)用價(jià)值:IGBT并聯(lián)...
中篇:IGBT開關(guān)特性參數(shù)、Diode特性參數(shù)
2.6 開關(guān)特性參數(shù)
(知識(shí)星球中發(fā)布)
2.6.1 柵極電荷:QG...2.6.2 內(nèi)部門級(jí)電阻:RGint...2.6.3 外部門級(jí)電阻:RGext...
擴(kuò)展:驅(qū)動(dòng)電阻的選值方法...
2.6.4 外部門級(jí)電容:CGE...
2.6.5 開關(guān)時(shí)間:tdon, tr, tdoff, tf...
2.6.6 開關(guān)損耗:Eon, Eoff...
2.6.7 短路電流:ISC...
2.6.8 短路特性的影響因素...
03
Diode相關(guān)參數(shù)
二極管作為 IGBT 模塊的重要配套器件,其參數(shù)特性直接影響整個(gè)電路的可靠性和效率。以下結(jié)合與 IGBT 參數(shù)的類比,詳細(xì)解釋二極管的核心參數(shù)及實(shí)際應(yīng)用注意事項(xiàng)。
3.1 反向重復(fù)峰值電壓:VRRM
VRRM,反向重復(fù)峰值電壓,俗稱二極管的“反向耐壓極限”,是二極管能承受的最大反向重復(fù)峰值電壓,即二極管在反向截止?fàn)顟B(tài)時(shí),允許重復(fù)施加的最高電壓。
圖片來(lái)源:英飛凌
和 IGBT 的 VCES類似,這個(gè)參數(shù)是在結(jié)溫 25℃ 條件下定義的(結(jié)溫升高時(shí),實(shí)際耐壓能力可能略有下降),如下圖所示:
圖片來(lái)源:英飛凌
這個(gè)參數(shù),在實(shí)際應(yīng)用中的意義在于:防止二極管因反向電壓過(guò)高而擊穿。例如,車規(guī)級(jí)模塊中,二極管需承受電機(jī)回饋或電源波動(dòng)產(chǎn)生的反向電壓,VRRM必須大于實(shí)際可能的最大反向電壓。
3.2 正向額定電流值:IF
(知識(shí)星球中發(fā)布)
IF,正向額定電流值,俗稱二極管的“長(zhǎng)期載流能力”,是二極管在通直流時(shí)的標(biāo)稱額定電流 ,即長(zhǎng)期穩(wěn)定工作時(shí)能通過(guò)的最大正向電流...
3.3 正向重復(fù)峰值電流:IFRM
(知識(shí)星球中發(fā)布)
...
3.4 浪涌能力:I2t
(知識(shí)星球中發(fā)布)
...
3.5 正向壓降:VF
(知識(shí)星球中發(fā)布)
...
3.6 開關(guān)特性參數(shù)
(知識(shí)星球中發(fā)布)
...
3.7 二極管的安全工作區(qū)(SOA)
(知識(shí)星球中發(fā)布)
...
3.8 二極管小結(jié)
二極管的參數(shù)特性與 IGBT 有諸多相似之處(如耐壓、額定電流、峰值電流),但反向恢復(fù)特性是其獨(dú)有的關(guān)鍵指標(biāo),直接影響系統(tǒng)效率和可靠性。
選型時(shí)需結(jié)合實(shí)際工況(如電流、溫度、開關(guān)頻率),確保所有參數(shù)均在規(guī)格書規(guī)定的范圍內(nèi),尤其注意反向恢復(fù)損耗和 SOA 限制,避免因瞬態(tài)應(yīng)力導(dǎo)致?lián)p壞。
下篇:熱性能參數(shù)、模塊級(jí)參數(shù)、NTC參數(shù)
04
熱性能參數(shù)
4.1 芯片熱量的傳遞路徑
(知識(shí)星球中發(fā)布)
下面是我們聊聊熱性能相關(guān)參數(shù)。
當(dāng)IGBT或二極管芯片上導(dǎo)通電流時(shí),芯片自身會(huì)產(chǎn)生損耗(如導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗),這些損耗最終會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量,導(dǎo)致芯片溫度升高。熱量要“逃離”芯片,需要經(jīng)過(guò)一條固定的路線,即熱傳遞路徑:芯片 → DBC層 → 模塊基板 → 散熱器 → 空氣及周邊環(huán)境......
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4.2 熱阻:Rthjc, Rthch
(知識(shí)星球中發(fā)布)
...
4.3 瞬態(tài)熱阻抗:Zthjc
(知識(shí)星球中發(fā)布)
...
4.4 熱性能參數(shù) · 小結(jié)
熱性能參數(shù)是評(píng)估IGBT模塊可靠性的核心:熱傳遞路徑描述熱量“去哪里”,Rthjc和Rthch量化傳遞阻力(穩(wěn)態(tài)散熱能力),Zthjc則描述動(dòng)態(tài)脈沖下的散熱特性。理解這些參數(shù),才能通過(guò)損耗計(jì)算準(zhǔn)確評(píng)估芯片結(jié)溫,避免因過(guò)熱導(dǎo)致模塊損壞。實(shí)際應(yīng)用中,需注意Rthch的實(shí)際值會(huì)優(yōu)于規(guī)格書假設(shè),而Zthjc需結(jié)合開關(guān)頻率和脈沖寬度綜合分析。
05
模塊整體相關(guān)參數(shù)
下面是模塊整體相關(guān)參數(shù)的介紹。
模塊作為一個(gè)完整的功率器件單元,其整體參數(shù)直接影響電路的安全性、可靠性和開關(guān)性能。核心參數(shù)主要包括絕緣性能、結(jié)構(gòu)安裝參數(shù)和雜散電感三大類。我們逐一聊聊。
5.1 絕緣性能參數(shù)——模塊的“電氣安全防線”
(知識(shí)星球中發(fā)布)
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|SysPro備注,關(guān)于這塊做過(guò)專題解讀,可以參考文章:
電氣間隙與爬電距離全面解析:定義指南、標(biāo)準(zhǔn)解讀、案例分析
5.2 結(jié)構(gòu)與安裝參數(shù)——模塊的“物理連接保障”
(知識(shí)星球中發(fā)布)
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5.3 雜散電感(LS)——模塊的“隱形電氣干擾源”
(知識(shí)星球中發(fā)布)
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06
NTC相關(guān)參數(shù)
(知識(shí)星球中發(fā)布)
大部分英飛凌IGBT模塊內(nèi)置負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻,用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊溫度,保障熱保護(hù)功能可靠運(yùn)行。 我們先看看NTC的核心參數(shù)與作用...
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以上內(nèi)容為關(guān)于英飛凌IGBT DataSheet的實(shí)踐應(yīng)用筆記(節(jié)選),本次是第三次更新 v3.0,較2.0版本,增加了一些實(shí)際應(yīng)用中這些關(guān)鍵參數(shù)的理解和應(yīng)用方法,并舉例進(jìn)行了案例說(shuō)明,以輔助我們更好地獲取一些系統(tǒng)層面關(guān)心的性能數(shù)據(jù)。本篇在實(shí)踐工作中有多次用到,或許會(huì)有些價(jià)值。
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