IGBT選型的要求

1、IGBT的選型要求、設計理念及在風能中的應用熱3已有 125 次閱讀  2011-09-28 12:09 要做高功率設計，需要選擇合適的IGBT，并在此基礎上合理設計和應用IGBT。本文從介紹IGBT選型的四大基本要求及三大設計理念入手，再輔以IGBT在風能中的應用案例，旨在幫助工程師正確選擇合適的IGBT，并合理設計和應用IGBT，從而實現(xiàn)高功率密度的設計。 本文整理自第七屆新型節(jié)能設計技術研討會，更詳細的內容請瀏覽：1 IGBT選型的四個基本要求做高功率設計時，IGBT的選型要考慮到四個基本要求，一個就是明確知道IGBT的安全工作區(qū)，只要在安全工作區(qū)之內，怎么應用IGB

2、T都可以；第二個是在熱設計上的限制，還有結構上面、可靠性上面。 1.1 安全工作區(qū)在安全上面，主要指的就是電的特性，除了常規(guī)的變壓電流以外，還有RBSOA（反向偏置安全工作區(qū)）和短路時候的保護。這個是開通和關斷時候的波形，這個是相關的開通和關斷時候的定義。我們做設計的時候，結溫的要求，比如長期工作必須保證溫度在安全結溫之內，做到這個保證的前提是需要把這個模塊相關的應用參數(shù)提供出來。這樣結合這個參數(shù)以后，結合選擇的IGBT的芯片，還有封裝和電流，來計算產品的功耗和結溫，是否滿足安全結溫的需求。1.2 熱限制熱限制就是我們脈沖功率，時間比較短，它可能不是一個長期的工作點，可能突然增加，這

3、個時候就涉及到另外一個指標，動態(tài)熱阻，我們叫做熱阻抗。這個波動量會直接影響到IGBT的可靠性，就是壽命問題。你可以看到50赫茲波動量非常 小，這個壽命才長。 1.3 封裝要求封裝要求主要體現(xiàn)在外部封裝材料上面，像我們現(xiàn)在這種封裝形式，這個是ECONO  DUAL3的例子，主要是描述材料在污染情況下，是否能夠滿足一些要求。在結構上面，其實也會和封裝相關，因為設計的時候會布局和結構的問題，不同的設計它的差異性很大。  1.4 可靠性要求可靠性問題，剛才說到結溫波動，其中最擔心就是結溫波動以后，會影響到這個綁定線和硅片之間的焊接，時間久了，這兩種材料本身之間的

4、熱抗系數(shù)都有差異，所以在結溫波動情況下，長時間下來，如果工藝不好的話，就會出現(xiàn)裂痕甚至斷裂，這樣就會影響保護壓降，進一步導致IGBT失效。第二個就是熱循環(huán)，主要體現(xiàn)在硅片和DCB這個材料之間，他們之間的差異性。如果失效了以后，就分層了，材料與材料之間特性不一樣，就變成這樣情況的東西，這個失效很明顯。另一個在我們一般的應用中體現(xiàn)不到，就是宇宙射線的問題，這個宇宙射線對IGBT器件也是很重要的影響，尤其是在高海拔，我們一般都要做防宇宙射線的防護，在IGBT安全運營里面，我們需要強調兩倍的電流關斷能力，這是規(guī)格數(shù)上給的BSO的曲線，建議客戶不要超過時限所規(guī)定的范圍之內，你就可以保證這個產品的安全。那

5、這個虛線代表芯片的特性，時限代表端子，所以模塊內部要采用疊層模塊的形式，就是要縮短這一部分壓降。 2  IGBT的三大設計理念2.1 IGBT的安全工作區(qū)設計要求另外，在我們的選型過程中，我們的阻斷電壓，它這個1700V或者我們1200V或者其他電壓等級，這個電壓量一般不允許超過，一旦超過就引起失效，對于電流來說，與熱還是相關的，所以會直接損害IGBT。那另外就是我們關斷的時候要知道關斷的特性，像第三代、第四代IGBT，對關斷影響相對較小，如果說你要想很好的去影響關斷特性，一定要采用大的關斷電阻，我們IGBT主要特性在關斷上，開通是二極管限制了開通特性。另外就是二極管，二極

6、管部分，還有脈沖電流的問題，它也是兩倍的問題，另外談到二極管，它在工作中，如果IGBT開通太快，反向二極管如果沒有恢復好的話，有可能超出了二極管的安全工作區(qū)，就可能會使二極管失效。這個是一般規(guī)格數(shù)上，大功率都會給出二極管的SOA，這個是電流和電壓呈現(xiàn)的瞬時功率。另外一個比較重要的就是短路，其實短路在我們實際的系統(tǒng)中是經常會發(fā)生的，而且短路的模式主要是這兩種，一種是短路一、一種是短路二，一種是硬短路，一種是軟短路，這個是IGBT開通以后的，這個是沒有開通發(fā)生的短路。一般規(guī)格書上給出的數(shù)據(jù)是短路一給出的，就是硬短路給出的。  短路的定義里面，我們是這樣的時間來定義。我們必須要嚴格控制這個

7、IGBT在短路十秒之內要關斷短路過程。一旦超過10秒以后，有可能就被熱死掉。它對于VGE的電壓量非常敏感，一般我們給出15V，當VGE是17V的時候，就會縮小。所以我們一定要鉗制在15V，這樣才有時間來保護IGBT。無外乎這兩種方式。這些都會有效的幫助你在IGBT發(fā)生短路以后，有限制短路電流，另外可以加入一些小的電容，對短路時候的電流是有幫助的。  另外對于我們談到的RBSOA里面，這個是模塊內部優(yōu)化的特性，同樣是我們1400A的，這個是 1000A的，在2000A的時候這個壓降是700多V，雖然模塊內部的集成電感不一樣，所以它的壓降下降小一些。 我們如何提高我們這個產品的

8、輸入電流呢？它的冷卻方式很關鍵的，這邊給出風冷和水冷的方式，采用同樣的模塊，在一定的工作頻率情況下，如果采用傳統(tǒng)的風冷的方式，大概是0.015的水平，如果水冷的話，可以提升到0.006的水平。這個是大功率的產品，這個是1000A，這個是1200A，這個特性都不完全一樣，下面是具體的數(shù)據(jù)。在不同的開關數(shù)據(jù)情況下，就會表現(xiàn)出來剛才談到的這個直流電壓利用率的問題，這邊允許電壓最大值到這樣的水平。  P4和E3的話，是這樣的水平形式。你可以看到在這種大功率的權重里面，本身集成電壓都很大。  2.2冷卻熱設計理念在提高電流密度上面，如果是不同的模塊，同樣是水冷和風冷兩種模式，在輸入電

9、流上面，等級也是不一樣的。這個是 1400A的模塊的話，在水冷和風冷兩個條件下，是完全不相同的，這個是采用水冷方式，盡管也是低的熱阻，相當于外部散熱條件非常好。在冷卻里面，這是典型的風冷方式，也可以通過在散熱器上固熱管，增加熱源向外圍擴散的能力，也可以提高散熱能力，增加模塊的模塊。當然這個是貼在表面上，還有一種是這樣子的方式，增加散熱器的散熱能力，當然在這些散熱里面，水冷的方式是最好的冷卻方式，對于提高功率密度而言。它的熱阻也非常小，要保證低的熱阻。2.3可靠性要求2.3.1 綁定線焊接對于可靠性，我們的綁定線鏈接，還有焊接，這是完整的技術上的IGBT的剖析面，這個是IGBT的硅片，這個是DC

10、B，這個藍顏色是焊層，這邊是我們的綁定線。還有用在化學腐蝕程度比較高的地方，同樣可以看到對產品有很高的損壞。對于綁定線這種鏈接，我們對于我們自己的設計和生產工藝就提出了比較高的要求，涉及到綁定線的材料、金屬表面的形狀，綁定線做的形狀，綁定線自身鏈接質量問題，這些闡述都是生產IGBT、保護產品一個可靠性方面必須要下的工夫，另外對于客戶來說，它的應用條件就決定了產品的使用壽命問題。主要影響到溫度和負荷周期，你就會計算到負荷周期情況下的波動，這樣就會估算產品壽命。 這個是我們一些經過一定的循環(huán)周期以后，它的失效的一些模式，這個是綁定線翹起來了，還有金屬化，時間久了發(fā)生龜裂。還有拐彎的地方、

11、彎曲的地方，很容易發(fā)生斷裂。我們用這種曲線來描述這個產品使用循環(huán)能力。另外我們在這個曲線里面，我們可以看到，一般結溫是我們芯片內部的，同樣可以看到 在這樣結溫波動里面，散熱器的問題，它的波動量和我們底板的波動量是完全不一樣的，外圍波動非常小，但是里面波動量非常大。另外標準是5%的電壓，超過 5%的扁平值，我們就認為它失效。有些供應商可能給出的指標可能不太一樣。 2.3.2 焊接層的分層另外一種就是剛才說到的分層，表現(xiàn)出來就是焊接層上面，焊接層的厚度和焊接層的構成。這個主要是用的焊接材料自身和兩個DCB和硅片之間，就是銅和硅之間，膨脹系數(shù)也有差異，在負荷周期的應用條件情況下，它的可能的

12、波動和絕對值的溫度，都影響到產品的使用壽命。它主要相關的三個指標，一個是工藝循環(huán)周期，熱循環(huán)周期。這個表你可以看到，這個是正常的硅片，我們IGBT芯片硅片用的材料，還有工業(yè)級用的三樣化二鋁硅片結合的產品，還有氮化鋁，他們之間作用的結合材料，這種材料結合出來的結果，這個就是我們銅底板和三氧化二鋁在600次循環(huán)以后，分層就非常明顯。這種是增將性的三氧化二鋁，1000次以后有輕微的分層。你可以看到這兩種材料之間的熱膨脹系數(shù)非?？拷Ａ硗馕覀兒饬繜嵫h(huán)周期，同樣也有這樣的曲線，這個代表可溫波動量，這邊是我們的次數(shù)，這 邊是我們定義的條件，這邊是工業(yè)級的，這種是增強型的，同樣的情況下你可以看到波動情況。

13、     另外，這個是在不同的可能的條件情況下，在100度的溫度和200度的溫度的時候，它的波動量，一定循環(huán)周期差距也是比較大。我們失效標準，是熱阻的 1.2倍來判斷這個產品是否發(fā)生了失效。3 IGBT在風能中的典型應用 在兩個典型的應用里面，我今天拿的是風能來做討論，一種是直驅，一種是雙線，我們提供四種不同解決方案，我們看到ECONODUAL3，這個產品它的性價比是非常高的，但是要并聯(lián)。做這種黑模塊的話，單體價格相對高一些，不用并聯(lián)。所以方案選擇上，要怎么平衡選擇的產品。  這些對產品使用壽命和可靠性，還有對于維護方面都提出了要求。這個是我們

14、典型的變流器的大小，這個機柜是標準型的，在應用里面，風能的特殊要求里面，對我們來說，功率密度要提升，要做高一點。對于我們維護的時候很方便，損壞了以后我們維護它很方便，也會帶來維修成本提升。另外性價比很高，也會選擇相對而言比較價格低的IGBT作為方案。一般的話我們推薦對我們來說都是第四個IGBT。還有在可靠性上面，推薦第四代IGBT，它的結溫和特性，還有功率循環(huán)周次，和熱循環(huán)周次都做了提升。目前我們見得比較多的是這種，很容易到機柜上面拆下來，對客戶維護來說也很方便，這是比較典型的變流器。另外在高海拔上面，高海拔的話，剛才講到了它的空氣比較稀薄。另外對我們的產品間歇要求 不一樣，由于空氣稀薄以后，如果是風冷的話，可能會降低，水冷的話影響不是很大。由于我們在高海拔、空氣稀薄的情況下，它的間隙要求高了以后，如果滿足不 了標準的話，可能我們就要把直流電壓降下去，把輸入電壓降下去，把對應的功率降下去。另外也談到了，高海拔要防護宇宙射線。  這是我們舉的兩個產品，這是