IGBT模塊選型指導(dǎo)

發(fā)布時(shí)間：2022-03-18作者來源：薩科微瀏覽：3665

國產(chǎn)IGBT模塊選型需要注意以下幾點(diǎn)：

IGBT模塊的損耗

IGBT模塊的損耗源于內(nèi)部IGBT和二極管（續(xù)流FWD、整流）芯片的損耗，主要是IGBT和FWD產(chǎn)生的損耗。

IGBT不是一個(gè)理想開關(guān)，體現(xiàn)在：

（1） IGBT在導(dǎo)通時(shí)有飽和電壓– Vcesat

（2） IGBT在開關(guān)時(shí)有開關(guān)能耗–Eon和Eoff 這是IGBT產(chǎn)生損耗的根源。Vcesat造成導(dǎo)通損耗，Eon和Eoff造成開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗 + 開關(guān)損耗 = IGBT總損耗。

FWD也存在兩方面的損耗，因?yàn)椋?

（1）在正向?qū)ǎ蠢m(xù)流）時(shí)有正向?qū)妷海篤f

（2）在反向恢復(fù)的過程中有反向恢復(fù)能耗：Erec。Vf造成導(dǎo)通損耗，Erec造成開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗 + 開關(guān)損耗 = FWD總損耗。

Vcesat，Eon，Eoff，Vf和Erec體現(xiàn)了IGBT/FWD芯片的技術(shù)特征。因此IGBT/FWD芯片技術(shù)不同，Vcesat，Eon，Eoff，Vf和Erec也不同。

IGBT模塊的損耗-IGBT導(dǎo)通損耗

Vcesat和Ic的關(guān)系可以用左圖的近似線性法來

表示：Vcesat = Vt0 + Rce×Ic

IGBT的導(dǎo)通損耗：

Pcond = d * Vcesat ×Ic，其中d 為IGBT的導(dǎo)通占空比

IGBT飽和電壓的大小，與通過的電流（Ic），

芯片的結(jié)溫（Tj）和門極電壓（Vge）有關(guān)。

IGBT模塊的損耗-IGBT開關(guān)損耗

IGBT之所以存在開關(guān)能耗，是因?yàn)樵陂_通和關(guān)斷的瞬間，電流和電壓有重疊期。

在Vce與測試條件接近的情況，Eon和Eoff可近似地看作與Ic和Vce成正比：

Eon = EON × Ic/IC,NOM × Vce/測試條件

Eoff = EOFF× Ic/IC,NOM× Vce/測試條件

IGBT的開關(guān)損耗：Psw = fsw ×(Eon + Eoff) ，fsw為開關(guān)頻率。

IGBT開關(guān)能耗的大小與開關(guān)時(shí)的電流（Ic）、電壓（Vce）和芯片的結(jié)溫（Tj）有關(guān)。

Eon 定義：10% Ic 到 2%Vce n

Eoff 定義：10% Vce 到 2%Ic

IGBT模塊的損耗-FWD導(dǎo)通損耗

Vf和If的關(guān)系可以用左圖的近似線性法來表示：

Vf = U0 + Rd ×If

FWD的導(dǎo)通損耗：Pf = d * Vf ×If，其中d 為FWD的導(dǎo)通占空比。

模塊規(guī)格書里給出了FWD的正向?qū)妷旱奶卣髦担篤F，及測試條件。

FWD正向?qū)妷旱拇笮。c通過的電流（If）和芯片的結(jié)溫（Tj）有關(guān)。

IGBT模塊的損耗-FWD開關(guān)損耗

反向恢復(fù)是FWD的固有特性，發(fā)生在由正向?qū)ㄞD(zhuǎn)為反向阻斷的瞬間，表現(xiàn)為通過反向電流后再恢復(fù)為反向阻斷狀態(tài)。

在Vr與測試條件接近的情況，Erec可近似地看作與If和Vr成正比：

Erec = EREC ×If/IF,NOM × Vr/測試條件

FWD的開關(guān)損耗：Prec = fsw×Erec，fsw為開關(guān)頻率。

FWD反向恢復(fù)能耗的大小與正向?qū)〞r(shí)的電流（If）、電流變化率dif/dt、反向電壓（Vr）和芯片的結(jié)溫（Tj）有關(guān)。

IGBT模塊的損耗-小結(jié)

IGBT

導(dǎo)通損耗：

（1）與IGBT芯片技術(shù)有關(guān)

（2）與運(yùn)行條件有關(guān)：與電流成正比，與IGBT占空比成正比，隨Tj升高而增加。

（3）與驅(qū)動(dòng)條件有關(guān)：隨Vge的增加而減小

開關(guān)損耗

（1）與IGBT芯片技術(shù)有關(guān)

（2）與工作條件有關(guān)：與開關(guān)頻率、電流、電壓成正比，隨Tj升高而增加。

（3）與驅(qū)動(dòng)條件有關(guān)：隨Rg的增大而增大，隨門極關(guān)斷電壓的增加而減小。

FWD

導(dǎo)通損耗：

（1）與FWD芯片技術(shù)有關(guān)

（2）與工作條件有關(guān)：與電流成正比，與FWD占空比成正比。

開關(guān)損耗

（1）與FWD芯片技術(shù)有關(guān)

（2）與工作條件有關(guān)：與開關(guān)頻率、電流、電壓成正比，隨Tj升高而增加。

IGBT模塊的溫度

Rthch值的換算：Rthch per arm = Rthch per module × n

Rthch per arm = Rthch_IGBT // Rthch_FWD

Rthha值的換算：Rthha per arm = Rthha×n

其中arm是一個(gè)橋臂單元（IGBT+FWD），n是模塊內(nèi)的橋臂單元數(shù)。

對于含整流橋的PIM，Rthch的換算可以按Rthjc之間的比例來算

IGBT模塊的溫度-小結(jié)

IGBT模塊各個(gè)部分的溫差T取決于

（1）損耗（芯片技術(shù)、運(yùn)行條件、驅(qū)動(dòng)條件）；

（2）熱阻（模塊規(guī)格、尺寸）

模塊芯片的結(jié)溫是各部分的溫差和環(huán)境溫度之和：Tj = ΔTjc +ΔTch +ΔTha + Ta

如果假設(shè)殼溫Tc恒定，則Tj = ΔTjc + Tc；

如果假設(shè)散熱器溫度Th恒定，則Tj =ΔTjh + Th。

IGBT的平均結(jié)溫取決于平均損耗、Rthjc和殼溫Tc。

在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，IGBT的結(jié)溫是波動(dòng)的，其波動(dòng)幅度取決于瞬態(tài)損耗和Zthjc，而Zthjc又和運(yùn)行條件（如變頻器輸出頻率）有關(guān)。

IGBT的峰值結(jié)溫為平均結(jié)溫+波動(dòng)幅值。

結(jié)論：

IGBT的結(jié)溫（平均/峰值）和芯片技術(shù)、運(yùn)行條件、驅(qū)動(dòng)條件、IGBT規(guī)格、模塊尺寸、散熱[敏感詞]小和環(huán)境溫度有關(guān)。

IGBT模塊的安全運(yùn)行

安全運(yùn)行的基本條件：

溫度：IGBT結(jié)溫峰值 Tj_peak≤ 125C°（150C°*）

模塊規(guī)格書給出了兩個(gè)IGBT[敏感詞]允許結(jié)溫：

Tjmax = 150C°（150C°*）- 指無開關(guān)運(yùn)行的恒導(dǎo)通狀態(tài)下；

Tvj(max) = 125°（150C°*）- 指在正常的開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)下。

Tvj(max)規(guī)定了IGBT關(guān)斷電流、短路、功率交變（PC）所允許的[敏感詞]結(jié)溫。

* 600V IGBT3；1200V和1700V IGBT4；3300V IGBT3 n

短路時(shí)間：Vcc=2500V, Vge<=15V, Tvj=150°, Tp<=10us

其它：Vce ≤ VCES（即IGBT的電壓規(guī)格）

Vge ≤VGES（±20V） Ic由RBSOA規(guī)定了在連續(xù)開關(guān)工作條件下，不超過2×IC,NOM。最小開通時(shí)間，等等。

薩科微半導(dǎo)體SLKOR

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