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当我们在选择一款IGBT模块做功率回路设计时，首先都会问到两个最基本的参数，这个模块是多少伏、多少安培的？比如说赛米控的SEMiX453GB12E4p（见图1），从型号上可以看出这是一个1200V、450A的半桥模块。那么这两个参数到底有什么意义？在实际的逆变器主电路中，这个模块能承受多大的母线电压、多大的负载电流？和IGBT规格书上的电压、电流有什么关系？还有哪些主要的参数会影响逆变器的输出能力？带着这些问题，我们一起来看一下IGBT规格书中的主要参数。  图1 赛米控SEMiX3 press-fit系列IGBT模块 第一个问题：IGBT到底能输出多大电流？ 我们先看看规格书中关于电流最大值的几个参数。如图2所示，规格书一般会给出ICnom（标称连续直流电流）、IC（实际连续直流电流）、ICRM（可重复峰值电流）、It(RMS)（端子有效值电流）这几个电流参数。那这几个参数表示什么意思？到底哪个才真正限制IGBT的最大电流？   图2 IGBT规格书中关于最大电流值的几个参数 下面解释下这几个参数的定义和对这几个参数的理解。 ICnom （标称连续直流电流），IGBT型号中的电流值就是以这个参数来标定的（SEMiX453GB12E4p模块的ICnom=450A）。但这个参数的物理含义并不是很清晰，它是IGBT芯片供应商根据特定的芯片技术和有效的芯片面积标称的一个电流标称值。IGBT模块实际能够流过多大电流还要由模块的封装材料和技术来决定，需要通过模块的散热能力来评估。 IC （实际连续直流电流），这个值表征的是在既定的散热条件下，IGBT模块中的IGBT能够实际通过的连续直流电流。这个值是根据IGBT在175°C最高结温条件下的损耗和热阻得到的一个计算值。但需要指出的是，这个计算值只是一个理论值，主要用来对不同模块的连续直流输出能力做一个横向对比，其在实际应用中的指导意义并不大。一方面，规格书中标称的散热条件在实际电力电子装置中是很难达到的（175°C的最高结温下却要保持80°C甚至25°C的壳温，这几乎不太可能）；另一方面，IGBT在绝大多数的应用都工作在开关状态，而非连续直流导通状态。 ICRM（可重复峰值电流），这个值是IGBT在工作过程中允许的可重复峰值电流值（以脉冲电流的形式工作），但前提是要保证IGBT不能超过其最高结温。另外，即使IGBT工作在其最大允许的结温范围内，IGBT的可重复峰值电流也不能超过ICRM，超过这个值IGBT芯片上表面的铝金属化层会受损，导致IGBT芯片提前老化失效。基于芯片供应商的参数，赛米控在其采用IGBT4芯片模块的规格书中按照3倍ICnom的标准来标定ICRM。尽管从不超过最大结温的角度，芯片有能力承受3倍ICnom的脉冲电流，但相关测试表明，在正常驱动条件下（无分段关断、无有源钳位），如此大的关断电流存在IGBT过压的风险和较热芯片提前退饱和的风险。因此在实际产品设计中，赛米控仍然建议将关断电流控制在2倍ICnom的范围内。 It(RMS)（端子有效值电流），这个值表征的是在80°C基板温度、功率端子温度不超过125°C的条件下，功率端子允许的最大有效值电流。 通过以上对几个电流参数的解释可以发现，对于工作在脉冲电流形式下的逆变器，IGBT规格书中的ICnom、IC的实际意义并不大，仅可以用来做一些模块电气性能的初步对比，而且由于不同IGBT模块供应商在规格书中对散热条件的定义不一样，直接通过ICnom、IC来评价IGBT的输出电流能力是很不全面的。但ICRM和It(RMS)有明确的物理现象表征，在设计过程中要严格控制最大峰值电流不能超过ICRM值、最大有效值不能超过It(RMS)。以SEMiX453GB12E4p为例，其ICRM值为900A，对应正弦电流的有效值为900A/1.414=636A，而由于交流端子最大有效值It(RMS)为600A，所以这个模块的理论输出最大电流能力为600A有效值。 为什么说是理论输出最大电流值呢？因为前面对电流最大值的分析并没有考虑IGBT装置的散热能力，而是默认IGBT的工作结温在允许的范围内。那么IGBT允许的最大结温是多少？多大的电流能确保IGBT不超过其最高工作结温？如何去评估IGBT的结温？这就需要用到IGBT规格书中的一些特征值。 我们先看一下IGBT规格书中对结温的规定。 Tj （结温），这个参数指的是IGBT芯片的温度，规格书一般会给出最小值Tj(min) 到最大值Tj (max) 的范围，比如说-40°C…175°C，也就是说这个IGBT的最高结温为175°C。 这里需要强调的是，由于IGBT的结温很难测量的到或者很难测量的准，在应用中一般都是通过损耗和热阻/热阻抗建立热模型来计算IGBT的结温，这个计算值是一个或几个IGBT芯片并联后的平均值，并没有考虑各个芯片之间温度的不一致，也没有考虑单个芯片温度分布的不一致，所以在应用中要留取至少25°C以上的裕量，一般要求IGBT的工作温度不超过150°C。 上面已经提到，为了要评估IGBT的结温，我们需要知道相关的损耗和热阻信息，然后再通过合理的热模型来计算。这里先通过规格书解释一下和损耗、热阻相关的一些参数，见图3。IGBT的损耗包括导通损耗、开关损耗，还有可以忽略的阻断损耗。导通损耗可以通过规格书中的VCE(sat)（集-射极饱和电压），VCE0（集-射极初始电压），rce（集-射极电阻）参数来计算；开关损耗可以通过Eon（开通损耗能量）、Eoff（关断损耗能量）参数来计算。规格书中的热阻包括每个开关的Rth(j-c)（结-外壳热阻）、Rth(c-s)（外壳-散热器热阻），以及每个模块的Rth(c-s)（外壳-散热器热阻）。     图3 IGBT规格书中和损耗、热阻相关的特征参数 我们在工作中发现很多工程师在评价不同IGBT供应商相同模块或类似模块的性能时，会直接拿上面提到的这些特征参数做直接的对比，这里给出一些我们的理解和建议。 VCE(sat)（集-射极饱和电压），这个参数是衡量IGBT导通损耗的重要指标。从规格书中也可以看出，这个参数和测试电流（通常都是ICnom，但也有例外）和结温有关，所以在对比该参数时，一定要关注这两个测试条件，确保在相同测试条件下的对比。 Eon（开通损耗能量）和Eoff（关断损耗能量），这两个参数是衡量IGBT开关损耗的重要指标。从规格书中也可以看出，这两个参数值是基于特定测试条件的结果，和供电电压VCC、测试电流IC、门极开通和关断电阻RGon和RG off、开通和关断时电流变化率di/dton和di/dtoff、以及测试装置DC-link的寄生电感Ls都有关系。所以，在评估IGBT的开关损耗时，不能直接采用规格书中的Eon和Eoff，要仔细分析测试条件与实际应用的差异（尤其是寄生电感Ls和门极电阻），很多时候需要做一定的折算才能进行客观的对比。因此，在实际应用中还是要以双脉冲测试结果为准。 在对比热阻参数时，我们首先要了解各个厂家对结、外壳、散热器温度测试点位置的定义，否则就不可能做出客观的对比。通常这些测试点的信息都不会在规格书上体现，需要供应商提供额外的技术支持文档。另外需要说明一下的是，IGBT模块中的每个IGBT开关（强调的其作为电路的开关功能）通常都是由一个或几个IGBT芯片并联组成，规格书中的数据都是针对于每个IGBT开关，而不是单个IGBT芯片。下面看一下对几个热阻参数的介绍和理解。 Rth(j-c) per IGBT （每个IGBT开关的结-外壳热阻），这个热阻值描述的是从IGBT芯片到外壳基板的散热能力，它通常和芯片的尺寸、封装内部的连接材料、绝缘材料以及工艺有关。 Rth(c-s) per IGBT （每个IGBT开关的外壳-散热器热阻），这个热阻值描述的是每个IGBT从外壳基板到散热器的散热能力，主要和导热硅脂的厚度、导热率，以及散热器表面的平整度、粗糙度有关。对于SEMiX453GB12E4p，赛米控认证了两种不同形式的导热材料，一种是导热硅脂，另一种是相变材料，所以在规格书中可以看到两个不同的Rth(c-s)值。 Rth(c-s) per Module （每个IGBT模块的外壳-散热器热阻），这个热阻值描述的是IGBT模块作为一个整体（包括模块内所有的IGBT和二极管产生的损耗热量）从外壳基板到散热器的散热能力，除了和上面提到的导热硅脂的厚度、导热率，以及散热器表面的平整度、粗糙度有关外，还和模块内部各IGBT和二极管的相对位置产生的热耦合有关。关于该参数，赛米控规格书中给出了两种不同定义的热阻值Rth(c-s)1和Rth(c-s)2，前者是不包括热耦合效应的理论计算值；后者是在不同导热材料下考虑热耦合效应的实际测量值。 以上我们通过规格书解释了和IGBT损耗、热阻相关的主要特征参数。关于如何通过这些特征参数计算IGBT的损耗、如何正确应用不同热阻参数的话题，我们在以后的文章中会继续分析。 到此，我们可以对“IGBT到底能输出多大电流”的问题做一个总结： 受芯片表面金属层的限制，IGBT的最大峰值电流不能超过ICRM（IGBT短路情况除外）； 受封装端子的限制，IGBT的最大有效值电流不能超过It(RMS)； 受芯片结温的限制，IGBT的最大有效值电流应保证芯片的发热不超过其最高工作结温。 应用经验表明，一般情况下IGBT的输出电流都不会受制于1）和2）的限制，通常都是受制于3）芯片结温的限制。所以对于一个给定的IGBT模块，其散热的好坏对其电流输出能力的影响很大。 第二个问题：IGBT到底能承受多大母线电压？ 回答这个问题之前，我们先看一下IGBT能承受的最大阻断电压。 VCES（集电极-发射极电压），这个值指的是在25°C结温下，在漏电流允许的范围内（IC<ices）能施加在igbt集电极和发射极两端的最大电压。在测试过程中，必须将门极短路，否则漏电流很容易超出规值。 < p="">   图4 IGBT 关断过程中的电压及其对应的波形 如图4所示，IGBT在关断过程中除了要承受直流母线电压VDC-Link之外，还要承受直流母线杂散电感引起的过电压LDC-link∙di/dt和模块杂散电感引起的过电压LModule∙di/dt以及续流二极管的导通电压VDiode，即有VIGBT=VDC-Link LDC-link∙di/dt LModule∙di/dt VDiode，在系统设计时应留出5%~10%VECS的安全电压裕量。在实际开关应用中，考虑到系统杂散电感产生的过压问题，最大直流母线电压一般要控制在VCES电压值的2/3左右，对于1200V的IGBT，母线电压最好不要超过800V。 需要指出的是，部分工程师在测试模块关断尖峰电压时，直接通过测量模块直流端子两端（对应图4中DC 和DC-）的电压来判断IGBT阻断电压的裕量，实际上这个测量的电压是不包括模块本身杂散电感产生的过压。在评估IGBT芯片电压时需要在端子测量电压的基础上加上IGBT内部的过电压（可以通过模块杂散电感和电流下降变化率的乘积来计算）。另外可以通过IGBT C、E极的辅助端子来测量IGBT的电压值，这个测量值会比较接近IGBT芯片的电压值。  图5 IGBT阻断电压和结温的关系 另外，VCES值是和结温相关的，VCES(Tj)=VCES(25°C) (1 TC∙ (Tj-25°C))，温度系数TC在0.0008~0.00121/K。根据此关系，可以得到不同结温条件下IGBT的阻断电压值，见图5。在极寒环境的应用中，要特别注意IGBT的关断尖峰电压不能超过允许的VCES值，因为随着结温的降低，IGBT阻断电压能力会下降，同时IGBT的开关速度会变快。 从上面的分析可以看出，IGBT能承受多大的母线电压和系统回路的杂散电感以及IGBT的关断速度即di/dtoff有关。如要提高直流母线电压，就必须要减小IGBT的尖峰电压，系统设计时应优先采用降低杂散电感的方法，包括采用低杂散电感的电容和叠层母排设计；其次可以通过增大门极关断电阻RGoff来降低IGBT的关断速度，但这样会增加IGBT的关断损耗。 IGBT其它主要参数 以上是从“IGBT能输出多大电流”、“IGBT能承受多大母线电压”的角度分析了IGBT规格书中的相关参数，更多关注的是IGBT的性能。当然，IGBT还有一些和门极控制以及短路相关的重要参数，如图6所示，这里也做一些解释和分析。  图6 IGBT门极电压和短路时间 VGES（门极-集电极最大电压），这个值是门极和集电极之间允许长时间施加的最大电压，一般都为±20V。很多测试表明短时超过几伏并不会损坏IGBT，但门极电压超过15V后，在短路情况下会引起较大的短路电流，导致器件超出SCSOA（短路安全工作区）。在IGBT驱动设计中，一般都会在门极和集电极之间安装TVS管或者通过二极管将门极电位钳位在15V的方法来避免门极过压。 tpsc （最长短路时间），这个参数值规定IGBT在一定的条件下发生短路时允许持续的最长时间，不同的IGBT芯片技术对应的的短路时间不一样，比如IGBT4的短路时间是10us；而其前一代IGBT3的短路时间是6us。 前面提到tpsc这个值是在一定的条件下定义的，从图6中的规格书列表中也可以看出，这个条件是：1）供电电压VCC=800V；2）门极电压VGE≤15V；3）阻断电压VCES≤1200V；4）结温Tj=150°C。换句话说，在不同于规格书的工作条件下，tpsc也可以大于或小于10us。实际上IGBT能承受的短路能量是一定的，即ESC=tpsc∙ISC∙VCC是一定的。假定在短路时门极电压被钳在15V，此时IGBT的短路电流约5倍ICnom。那么可计算出短路能量ESC=10µs×5×450A×800V=18J；如果供电电压降低20%（即640V），那么短路时间就可以增加20%（即12us）。从另外一个角度，如果短路时门极电压被抬高至20V，那此时短路电流就会超过5×ICnom，短路时间就一定会小于10us。 需要注意的是，尽管IGBT允许一定时间的短路，但每一次的短路都会加快IGBT的老化，所以一般要求IGBT寿命周期内的短路次数不超过1000次，两次短路的时间不小于1秒。 二极管的主要参数 以上都是以IGBT开关为对象，解释并分析了其主要参数。在半桥IGBT模块中，IGBT开关旁边都会反并联一个二极管开关作为续流二极管。对于二极管的主要参数可以参照IGBT对应参数的解释和分析，这里只关注另外一个参数。 IFSM （正向浪涌电流），这个值是用来定义二极管在50Hz交流半波供电情况下的非连续最大浪涌电流能力，它是保护电路中熔断器选择的一个重要指标。在二极管的生命周期中，这种最大浪涌电流情况只允许少次发生，因为在最大浪涌电流下二极管的结温高达400°C，会加速二极管的老化。熔断器选型中的I2t值可以通过IFSM和半波持续时间得到，即I2t=I2FSM×0.005s。 参考文献： A. Wintrich, U.Nicolai, W. Tursky, T. Reimann, “Application Manual Power Semiconductors”, 2ndedition, ISLE Verlag 2015, ISBN 978-3-938843-83-3 |
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