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harris / I_G_B_TR / HGTB12N6

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S E M I C O N D U C T O R

April 1995

HGTB12N60D1C

12A, 600V Current Sensing N-Channel IGBT

Features

• 12A, 600V

• r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.27Ω

DS(ON)

• Low V at 25A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5V (Typ)

CE(SAT)

• Ultra-Fast Turn-On . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100ns (Typ)

• Polysilicon MOS Gate - Voltage Controlled Turn On/Off

o

• High Current Handling at +100 C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10A

• Current Sensing Pilot

Description

The HGTB12N60D1C Insulated-Gate Bipolar Transistor is a MOS-gate turn on/off power switching device combining the best advantages of power MOSFETs and bipolar transistors, and current sensing pilots. The result is a device that has the high input impedance of MOSFETs and the low on-state conduction losses similar to bipolar transistors. The device design and gate characteristics of the IGBT are also similar to power MOS-

FETs. An important difference is the equivalent rDS(ON) drain resistance which is modulated to a low value (ten times lower) when the gate is turned

on. The much lower on-state voltage drop also varies only moderately between +25oC and +150oC, offering extended power handling capability.

The IGBT is ideal for many high-voltage switching applications operating at low frequencies and where low conduction losses are essential, such as AC and DC motor controls, power supplies and drivers for solenoids, relays and contactors.

PACKAGING AVAILABILITY

PART NUMBER

PACKAGE

BRAND

 

 

 

HGTB12N60D1C

TS-001AA

12N60D1C

 

 

 

NOTE: When ordering, use the entire part number.

Package

JEDEC TS-001AA (5 LEAD TO-220)

54 3 2 1

COLLECTOR (FLANGE)

1 - GATE

2 - SENSE

3 - COLLECTOR

4 - (KELVIN) EMITTER

5 - EMITTER

Terminal Diagram

N-CHANNEL ENHANCEMENT MODE

C

G

E

S EK

 

Absolute Maximum Ratings TC = +25oC, Unless Otherwise Specified

 

HGTB12N60D1C

UNITS

 

 

 

 

 

 

 

 

Collector-Emitter Voltage (VGE = 0V) . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

.VCES

 

600

V

 

Collector-Gate Voltage (RGE = 1MΩ) . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

VCGR

 

600

V

 

Collector Current Continuous at TC = +100oC . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . IC

 

12

A

 

 

at TC = +25oC . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . IC

 

18

A

 

Collector Current Pulsed (Note 1) . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . ICM

 

40

A

 

Gate-Emitter Voltage

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. VGE

 

±25

V

 

Power Dissipation Total at TC = +25oC

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . PD

 

75

W

 

Power Dissipation Derating TC > +25oC . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . .

 

0.6

W/oC

 

Operating and Storage Junction Temperature Range . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . T

, T

 

-55 to +150

oC

 

 

 

 

 

J

STG

 

 

oC/W

 

Thermal Resistance, Junction to Case.

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. RθJC

 

1.67

 

Maximum Lead Temperature for Soldering . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . TL

 

260

oC

 

(1/8 inch from case for 5s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NOTE: 1. Repetitive Rating: Pulse width limited by maximum junction temperature. Gate control turn-off not allowed above 50A.

 

 

 

HARRIS SEMICONDUCTOR IGBT PRODUCT IS COVERED BY ONE OR MORE OF THE FOLLOWING U.S. PATENTS:

 

4,364,073

4,417,385

4,430,792

4,443,931

4,466,176

4,516,143

 

4,532,534

4,567,641

 

4,587,713

4,598,461

4,605,948

4,618,872

4,620,211

4,631,564

 

4,639,754

4,639,762

 

4,641,162

4,644,637

4,682,195

4,684,413

4,694,313

4,717,679

 

4,743,952

4,783,690

 

4,794,432

4,801,986

4,803,533

4,809,045

4,809,047

4,810,665

 

4,823,176

4,837,606

 

4,860,080

4,883,767

4,888,627

4,890,143

4,901,127

4,904,609

 

4,933,740

4,963,951

 

4,969,027

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CAUTION: These devices are sensitive to electrostatic discharge. Users should follow proper ESD Handling Procedures.

File Number 2326.3

 

 

 

Copyright © Harris Corporation 1995

3-42

Specifications HGTB12N60D1C

Electrical Specifications TC = +25oC, Unless Otherwise Specified

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LIMITS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PARAMETERS

SYMBOL

 

 

 

 

TEST CONDITIONS

MIN

TYP

MAX

UNITS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OFF CHARACTERISTICS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Collector-Emitter Breakdown Voltage

BVCES

IC = 25μA, VGE = 0V

 

 

600

-

-

V

Collector Cut-Off Current

 

I

T

C

= +25oC, V

GE

= 0V,

 

-

-

250

μA

 

 

 

CES

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VCE = Maximum Rating

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TC = +150oC, VGE = 0V,

-

-

4

mA

 

 

 

 

VCE = Maximum Rating x 0.8 (Note 1)

 

 

 

 

Gate-Emitter Leakage Current

 

IGES

VGE = ±20V

 

 

 

 

 

-

-

±500

nA

ON CHARACTERISTICS (Note 2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gate Threshold Voltage

V

GE(TH)

V

CE

= V

,

 

 

T

C

= +25oC

2

4

5

V

 

 

 

 

 

GE

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IC = 250μA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TC = +150oC

-

2.5

-

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Collector-Emitter Saturation Voltage

VCE(SAT)

VGE = 15V, IC = 10A, TC = +25oC

-

2.5

2.7

V

 

 

 

 

VGE = 15V, IC = 10A, TC = +150oC

-

2.8

-

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VGE = 10V, IC = 10A, TC = +25oC

-

2.9

-

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DYNAMIC CHARACTERISTICS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Input Capacitance

 

CIES

VGE = 0V, VCE = 25V, f = 1MHz

-

1050

-

pF

Output Capacitance

COES

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

340

-

pF

Reverse Transfer Capacitance

CRES

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

10

-

pF

SWITCHING CHARACTERISTICS (See Figures 8 and 9) (Note 2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Turn-On Delay Time

tD(ON)

Resistive Load, TJ = +125oC,

-

100

-

ns

 

 

 

 

IC = 10A, VCE = 500V, VGE = 15V,

 

 

 

 

Rise Time

 

tR

-

100

-

ns

 

RG(ON) = 50Ω, RG(OFF) = 100Ω

Turn-Off Delay Time

tD(OFF)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

0.4

-

μs

Fall Time

 

tF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

2.5

-

μs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Turn-Off Delay Time

t

 

Inductive Load, T

J

= +125oC,

-

0.8

1.2

μs

 

 

D(OFF)I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L = 45μH, IC = 10A, VCE(CLAMP) = 500V,

 

 

 

 

Fall Time

 

tFI

-

0.8

1.0

μs

 

VGE = 15V, RG(ON) = 50Ω,

 

 

 

 

RG(OFF) = 100Ω

 

 

 

 

 

 

 

 

Equivalent Fall Time

tF(EQ)

 

 

 

 

-

0.6

0.8

μs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Turn-Off Switching Losses

WOFF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

1.6

2.0

mJ

PILOT CHARACTERISTICS (Notes 2, 3 and 4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pilot-Emitter Kelvin Voltage

VPEK

VGE = 15VDC, RP = 2kΩ

 

 

 

 

 

IC = 5A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

1.25

-

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IC = 10A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4

1.67

1.8

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IC = 20A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

2.06

-

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NOTES:

o

1. Applies for 3.3° C per watt maximum thermal resistance, case-to-ambient. 2. Pulse test: Pulse widths 300μs, duty cycle 2%.

3. Refer to Figure 10.

4. When not in use connect S to emitter.

3-43

HGTB12N60D1C

Typical Performance Curves

 

40

 

VGE = 20V

 

 

VGE = 14V

 

 

 

 

 

 

 

VGE = 12V

 

35

 

 

 

 

 

(A)

 

 

 

 

 

TC = +25oC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MAX. DUTY CYCLE = 2%

CURRENT

30

 

 

 

 

 

 

 

 

MAX. PULSE WIDTH = 200μs

 

 

 

 

 

25

 

 

 

 

 

VGE = 10V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, COLLECTOR

20

 

 

 

 

 

VGE = 9V

15

 

 

 

 

 

VGE = 8V

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

VGE = 7V

CE

V

GE

= 4V

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

VGE = 6V

 

0

 

 

 

 

 

VGE = 5V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

2

4

6

8

10

12

 

 

 

VCE, COLLECTOR-TO-EMITTER VOLTAGE (V)

 

FIGURE 1. TYPICAL OUTPUT CHARACTERISTICS

 

25

VGE = 15V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(A)

 

MAX. PULSE WIDTH = 300μs

T

 

= +25oC

 

 

MAX. DUTY CYCLE = 2%

C

 

CURRENT

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TC = -55oC

 

 

 

 

15

 

 

 

 

 

 

, COLLECTOR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TC = +150oC

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CE

5

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

1

2

3

 

4

5

 

VCE(ON), COLLECTOR-EMITTER SATURATION VOLTAGE (V)

FIGURE 2. TYPICAL COLLECTOR-EMITTER SATURATION VOLTAGE

TC, MAXIMUM ALLOWABLE (oC)

160

140

120

100

80

60

40

20

0

0

VGE = 10V

VGE = 15V

5 10 15 20

ICE, DC COLLECTOR CURRENT (A)

FIGURE 3. MAXIMUM ALLOWABLE CASE TEMPERATURE vs DC COLLECTOR CURRENT

 

1.4

 

 

 

 

 

 

 

1.2

VGE(TH)

 

 

 

BVCES

 

VCE(SAT)

 

 

 

 

VCE(SAT)

C

1.0

AT1A

 

 

 

 

AT 10A

o

 

 

 

 

 

 

+25

VCE(SAT)

BVCES

 

 

 

 

TO

AT 10A

 

 

 

VCE(SAT)

0.8

 

 

 

 

 

NORMALIZED

 

 

 

 

VGE(TH)

AT 1A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.6

PARAMETER

 

CONDITIONS

+25oC TYP. VALUE

 

 

 

 

0.4

VGE(TH)

IC = 250μA

 

4.0V

 

VCE(SAT)

IC = 10A, VGE = 15V

 

2.5V

 

 

 

 

0.2

 

 

IC = 1A, VGE = 15V

 

1.1V

 

 

BVCES

 

IC = 1mA

VCES Rating

 

0.0

 

 

 

 

 

 

 

-100

-50

 

0

+50

+100

+150

TC , CASE TEMPERATURE (oC)

FIGURE 4. TYPICAL TEMPERATURE DEPENDENCE OF PARAMETERS

 

2.9

 

 

 

 

40

(V)

2.8

 

 

 

 

 

2.7

 

TJ = +125oC

 

 

 

VOLTAGEREF.

2.6

 

 

CURRENT(A)

 

2.5

 

 

 

30

 

 

 

 

 

 

2.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3

 

 

 

 

 

 

2.2

 

 

 

 

 

EMITTER-

2.1

 

TJ = +25oC

 

COLLECTOR,

10

1.6

 

 

 

2.0

 

 

 

 

20

 

1.9

 

T

J

= +90oC

 

 

1.8

 

 

 

 

 

PILOT

1.7

 

 

 

 

 

1.5

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

CE

 

,

1.4

 

 

 

 

 

PE

 

 

 

 

 

1.3

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

1.2

 

 

 

 

0

 

5

10

20

 

30

0

INDUCTIVE OR RESISTIVE LOAD

TJ = +150oC, RGE = 100Ω

100

200

300

400

500

ICE, EMITTER CURRENT (A)

VCE, COLLECTOR-EMITTER VOLTAGE (V)

 

FIGURE 5. TYPICAL EMITTER PILOT CHARACTERISTICS

FIGURE 6. TURN-OFF SAFE OPERATING AREA

2kΩ PILOT RESISTOR

 

3-44

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

HGTB12N60D1C

 

 

 

 

 

 

Typical Performance Curves (Continued)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C/W)

 

 

D = 0.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

o

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

THERMAL IMPEDANCE

 

 

D = 0.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

COLLECTOR, CURRENT (A)

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.00

D = 0.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10μs

1.00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100μs

 

 

 

 

 

 

2.0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1ms

0.10

 

D = 0.05

 

 

 

 

0.5

 

SINGLE PULSE

 

 

 

 

 

10ms

 

 

 

D = 0.02

 

 

 

 

 

TC = +25

o

C

 

 

 

 

 

0.04

 

 

 

 

 

CE

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TRANSIENT,

 

D = 0.01

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100ms

 

 

 

 

 

 

 

0.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.02

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DC

JC

 

 

 

SINGLE RECTANGULAR PULSE

 

0.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Zθ

0.01

10-4

10-3

 

10-2

10-1

1

 

1

2

5

10

20

 

50

100 200

500

 

 

10-5

 

 

 

 

VCE, COLLECTOR-EMITTER VOLTAGE (V)

 

 

 

 

tP , PULSE WIDTH (s)

 

 

 

FIGURE 7. TURN-ON SAFE OPERATING AREA

FIGURE 8. MAXIMUM TRANSIENT THERMAL IMPEDANCE

Test Circuits and Waveforms

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L = 45μH

 

 

VGE

 

90%

VGE

 

90%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

10%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RL

 

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IC

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

IC

 

90%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IC

 

 

 

 

10%

 

 

 

RS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

G

 

 

E

 

tD(ON)

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ER

 

 

 

tD(OFF)

 

 

 

PULSE

 

 

 

 

E

P

VCC

VCL

 

t

R

 

 

t

R

 

 

GENERATOR

 

RGE

 

RP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VCE (CLAMP)

 

RGEN = 50Ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VCE

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

S1 SWITCH POSITION

 

1 CLAMPED INDUCTIVE LOAD

 

 

 

 

 

 

 

tD(OFF)

 

tR

 

 

 

 

 

2 RESISTIVE LOAD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RG(ON) =

(RGEN + RS)(RGE) PULSE WIDTH 60μs VCC

 

 

 

 

RESISTIVE LOAD

 

INDUCTIVE LOAD

 

 

RGEN + RS + RGE

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(WAVEFORMS NOT TO SCALE)

 

 

L-IC MAXIMUM, PULSE WIDTH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

FIGURE 9. BASIC SWITCHING TEST CIRCUIT

 

 

 

FIGURE 10. SWITCHING WAVEFORMS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LOAD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+15

+15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6V

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VCC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

INPUT

 

 

 

100

G

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1/2

 

 

 

EK

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ICL7667

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

2kΩ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

COMP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RP (PILOT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RESISTOR)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

FIGURE 11. TYPICAL CIRCUIT UTILIZING THE EMITTER PILOT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

FOR OVERCURRENT PROTECTION

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3-45

 

 

 

 

 

 

 

 

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