深入解析 ON Semiconductor FGH4L50T65SQD IGBT

在電力電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）扮演著至關(guān)重要的角色。今天，我們就來詳細(xì)探討 ON Semiconductor 的 FGH4L50T65SQD 這款 650V、50A 的場截止型 IGBT，看看它能為我們的設(shè)計(jì)帶來哪些優(yōu)勢。

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一、IGBT 簡介與 FGH4L50T65SQD 概述

IGBT 結(jié)合了 MOSFET 的高輸入阻抗和雙極晶體管的低導(dǎo)通壓降特性，廣泛應(yīng)用于需要高效功率轉(zhuǎn)換的領(lǐng)域。FGH4L50T65SQD 采用了新穎的場截止 IGBT 技術(shù)，屬于第 4 代場截止型 IGBT 系列，專為太陽能逆變器、UPS、電焊機(jī)、電信、ESS（儲(chǔ)能系統(tǒng)）和 PFC（功率因數(shù)校正）等對(duì)低傳導(dǎo)和開關(guān)損耗有嚴(yán)格要求的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

電路圖

二、產(chǎn)品特性

1. 高溫性能與并聯(lián)特性：該 IGBT 的最大結(jié)溫 $T_J$ 可達(dá) 175°C，并且具有正溫度系數(shù)，這使得多個(gè) IGBT 并聯(lián)工作時(shí)更加容易，能夠有效避免因溫度差異導(dǎo)致的電流不均衡問題，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
2. 低飽和電壓：在 $IC = 50A$ 時(shí)，典型飽和電壓 $V{CE(Sat)}$ 僅為 1.6V。低飽和電壓意味著在導(dǎo)通狀態(tài)下，IGBT 的功率損耗更低，能夠提高系統(tǒng)的效率，減少發(fā)熱，延長設(shè)備的使用壽命。
3. 高電流能力：它具備高達(dá) 200A 的脈沖電流承受能力，能夠應(yīng)對(duì)瞬間的大電流沖擊，適用于對(duì)電流要求較高的應(yīng)用場景。
4. 其他特性：高輸入阻抗、快速開關(guān)速度、緊密的參數(shù)分布，并且該器件無鉛，符合 RoHS 標(biāo)準(zhǔn)，滿足環(huán)保要求。

三、電氣特性

1. 絕對(duì)最大額定值

在使用 FGH4L50T65SQD 時(shí)，必須嚴(yán)格遵守其絕對(duì)最大額定值，超過這些值可能會(huì)損壞器件，影響其可靠性。例如，集電極電流 $IC$ 的最大連續(xù)值為 50A，脈沖電流 $I{CM}$ 最大為 200A 等。這里需要注意的是，某些參數(shù)的值可能會(huì)受到一些條件的限制，如 $I_{CM}$ 受鍵合線的限制。

2. 熱特性

熱特性對(duì)于 IGBT 的性能和可靠性至關(guān)重要。該器件的 IGBT 結(jié)到外殼的熱阻 $R{JC(IGBT)}$ 最大為 0.56°C/W，二極管結(jié)到外殼的熱阻 $R{JC(Diode)}$ 最大為 1.25°C/W，結(jié)到環(huán)境的熱阻 $R_{JA}$ 最大為 40°C/W。在設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)這些熱阻參數(shù)來確保器件的溫度在安全范圍內(nèi)。

3. 靜態(tài)特性

• 截止特性：集電極 - 發(fā)射極擊穿電壓 $B{VCES}$ 為 650V，在 $V{GE} = 0V$，$IC = 1mA$ 時(shí)，溫度系數(shù)為 0.6V/°C。集電極截止電流 $I{CES}$ 在 $V{CE} = V{CES}$，$V{GE} = 0V$ 時(shí)為 250μA，柵 - 發(fā)射極泄漏電流 $I{GES}$ 在 $V{GE} = V{GES}$，$V_{CE} = 0V$ 時(shí)為 ±400nA。
• 導(dǎo)通特性：G - E 閾值電壓 $V_{GE(th)}$ 在 $IC = 50mA$，$V{CE} = V{GE}$ 時(shí)，典型值為 4.5V。集電極 - 發(fā)射極飽和電壓 $V{CE(sat)}$ 在 $IC = 50A$，$V{GE} = 15V$ 時(shí)，典型值為 1.6V，在 $T_J = 175°C$ 時(shí)為 1.92V。

  4. 動(dòng)態(tài)特性

  在不同的測試條件下，該 IGBT 表現(xiàn)出了良好的開關(guān)特性。例如，在 $V_{CC} = 400V$，$I_C = 25A$，$RG = 15Ω$，$V{GE} = 15V$，$TJ = 25°C$ 的電感負(fù)載條件下，開通延遲時(shí)間 $T{d(on)}$ 為 22.40ns，上升時(shí)間 $Tr$ 為 11.20ns，關(guān)斷延遲時(shí)間 $T{d(off)}$ 為 162ns，下降時(shí)間 $Tf$ 為 8ns，開通開關(guān)損耗 $E{on}$ 為 0.28mJ，關(guān)斷開關(guān)損耗 $E{off}$ 為 0.20mJ，總開關(guān)損耗 $E{ts}$ 為 0.48mJ。隨著集電極電流和溫度的變化，這些參數(shù)也會(huì)相應(yīng)改變。

四、二極管特性

該 IGBT 內(nèi)部集成的二極管也具有良好的性能。在 $I_F = 30A$，$TJ = 25°C$ 時(shí)，二極管正向電壓 $V{FM}$ 典型值為 2.1V，在 $T_J = 175°C$ 時(shí)為 1.8V。在電感負(fù)載下，其反向恢復(fù)特性也較為出色，如在 $TJ = 25°C$，$V{CE} = 400V$，$I = 15A$，$diF/dt = 1000A/μs$ 時(shí)，反向恢復(fù)能量 $E{rec}$ 為 11μJ，反向恢復(fù)時(shí)間 $T_{rr}$ 為 25ns，反向恢復(fù)電荷 $Qr$ 為 175nC，反向恢復(fù)電流 $I{rr}$ 為 14A。

五、典型特性曲線

文檔中給出了一系列典型特性曲線，如輸出特性、飽和電壓特性、轉(zhuǎn)移特性、電容特性、開關(guān)特性與柵極電阻和集電極電流的關(guān)系等。這些曲線能夠幫助我們更直觀地了解該 IGBT 在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，為電路設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供重要參考。例如，通過飽和電壓與結(jié)溫的關(guān)系曲線，我們可以預(yù)測在不同溫度下 IGBT 的導(dǎo)通損耗，從而合理設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)。

六、封裝信息

FGH4L50T65SQD 采用 TO - 247 - 4LD 封裝，這種封裝具有良好的散熱性能和機(jī)械穩(wěn)定性。文檔詳細(xì)給出了封裝的尺寸信息，包括各個(gè)引腳的間距、長度等參數(shù)，方便我們進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)和布局。

七、總結(jié)與思考

FGH4L50T65SQD 憑借其先進(jìn)的場截止 IGBT 技術(shù)和出色的電氣性能，為太陽能逆變器、UPS 等應(yīng)用提供了一個(gè)優(yōu)秀的功率開關(guān)解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，綜合考慮其各項(xiàng)特性，合理選擇工作參數(shù)，確保系統(tǒng)的性能和可靠性。同時(shí)，我們也需要關(guān)注其熱管理問題，通過優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮該 IGBT 的優(yōu)勢。大家在使用過類似的 IGBT 器件時(shí)，有沒有遇到過一些特殊的問題或者有什么獨(dú)特的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評(píng)論區(qū)分享交流。