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IGBT模塊選型指導

發布時間：2022-03-18作者來源：薩科微瀏覽：3572

國產IGBT模塊選型需要注意以下幾點：

IGBT模塊的損耗

IGBT模塊的損耗源于內部IGBT和二極管（續流FWD、整流）芯片的損耗，主要是IGBT和FWD產生的損耗。

IGBT不是一個理想開關，體現在：

（1） IGBT在導通時有飽和電壓– Vcesat

（2） IGBT在開關時有開關能耗–Eon和Eoff 這是IGBT產生損耗的根源。Vcesat造成導通損耗，Eon和Eoff造成開關損耗。導通損耗 + 開關損耗 = IGBT總損耗。

FWD也存在兩方面的損耗，因為：

（1）在正向導通（即續流）時有正向導通電壓：Vf

（2）在反向恢復的過程中有反向恢復能耗：Erec。Vf造成導通損耗，Erec造成開關損耗。導通損耗 + 開關損耗 = FWD總損耗。

Vcesat，Eon，Eoff，Vf和Erec體現了IGBT/FWD芯片的技術特征。因此IGBT/FWD芯片技術不同，Vcesat，Eon，Eoff，Vf和Erec也不同。

IGBT模塊的損耗-IGBT導通損耗

Vcesat和Ic的關系可以用左圖的近似線性法來

表示：Vcesat = Vt0 + Rce×Ic

IGBT的導通損耗：

Pcond = d * Vcesat ×Ic，其中d 為IGBT的導通占空比

IGBT飽和電壓的大小，與通過的電流（Ic），

芯片的結溫（Tj）和門極電壓（Vge）有關。

IGBT模塊的損耗-IGBT開關損耗

IGBT之所以存在開關能耗，是因為在開通和關斷的瞬間，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的開關損耗：Psw = fsw ×(Eon + Eoff) ，fsw為開關頻率。

IGBT開關能耗的大小與開關時的電流（Ic）、電壓（Vce）和芯片的結溫（Tj）有關。

Eon 定義：10% Ic 到 2%Vce n

Eoff 定義：10% Vce 到 2%Ic

IGBT模塊的損耗-FWD導通損耗

Vf和If的關系可以用左圖的近似線性法來表示：

Vf = U0 + Rd ×If

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

模塊規格書里給出了FWD的正向導通電壓的特征值：VF，及測試條件。

FWD正向導通電壓的大小，與通過的電流（If）和芯片的結溫（Tj）有關。

IGBT模塊的損耗-FWD開關損耗

反向恢復是FWD的固有特性，發生在由正向導通轉為反向阻斷的瞬間，表現為通過反向電流后再恢復為反向阻斷狀態。

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的開關損耗：Prec = fsw×Erec，fsw為開關頻率。

FWD反向恢復能耗的大小與正向導通時的電流（If）、電流變化率dif/dt、反向電壓（Vr）和芯片的結溫（Tj）有關。

IGBT模塊的損耗-小結

IGBT

導通損耗：

（1）與IGBT芯片技術有關

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

（3）與驅動條件有關：隨Vge的增加而減小

開關損耗

（1）與IGBT芯片技術有關

（2）與工作條件有關：與開關頻率、電流、電壓成正比，隨Tj升高而增加。

（3）與驅動條件有關：隨Rg的增大而增大，隨門極關斷電壓的增加而減小。

FWD

導通損耗：

（1）與FWD芯片技術有關

（2）與工作條件有關：與電流成正比，與FWD占空比成正比。

開關損耗

（1）與FWD芯片技術有關

（2）與工作條件有關：與開關頻率、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是一個橋臂單元（IGBT+FWD），n是模塊內的橋臂單元數。

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

IGBT模塊各個部分的溫差T取決于

（1）損耗（芯片技術、運行條件、驅動條件）；

（2）熱阻（模塊規格、尺寸）

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

如果假設殼溫Tc恒定，則Tj = ΔTjc + Tc；

如果假設散熱器溫度Th恒定，則Tj =ΔTjh + Th。

IGBT的平均結溫取決于平均損耗、Rthjc和殼溫Tc。

在實際運行時，IGBT的結溫是波動的，其波動幅度取決于瞬態損耗和Zthjc，而Zthjc又和運行條件（如變頻器輸出頻率）有關。

IGBT的峰值結溫為平均結溫+波動幅值。

結論：

IGBT的結溫（平均/峰值）和芯片技術、運行條件、驅動條件、IGBT規格、模塊尺寸、散熱[敏感詞]小和環境溫度有關。

IGBT模塊的安全運行

安全運行的基本條件：

溫度：IGBT結溫峰值 Tj_peak≤ 125C°（150C°*）

模塊規格書給出了兩個IGBT[敏感詞]允許結溫：

Tjmax = 150C°（150C°*）- 指無開關運行的恒導通狀態下；

Tvj(max) = 125°（150C°*）- 指在正常的開關運行狀態下。

Tvj(max)規定了IGBT關斷電流、短路、功率交變（PC）所允許的[敏感詞]結溫。

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

短路時間：Vcc=2500V, Vge<=15V, Tvj=150°, Tp<=10us

其它：Vce ≤ VCES（即IGBT的電壓規格）

Vge ≤VGES（±20V） Ic由RBSOA規定了在連續開關工作條件下，不超過2×IC,NOM。最小開通時間，等等。

薩科微半導體SLKOR

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