IGBT選型要求

1、IGBT的選型要求、設(shè)計(jì)理念及在風(fēng)能中的應(yīng)用熱3已有 125 次閱讀  2011-09-28 12:09 要做高功率設(shè)計(jì)，需要選擇合適的IGBT，并在此基礎(chǔ)上合理設(shè)計(jì)和應(yīng)用IGBT。本文從介紹IGBT選型的四大基本要求及三大設(shè)計(jì)理念入手，再輔以IGBT在風(fēng)能中的應(yīng)用案例，旨在幫助工程師正確選擇合適的IGBT，并合理設(shè)計(jì)和應(yīng)用IGBT，從而實(shí)現(xiàn)高功率密度的設(shè)計(jì)。 本文整理自第七屆新型節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)研討會(huì)，更詳細(xì)的內(nèi)容可以瀏覽：1 IGBT選型的四個(gè)基本要求做高功率設(shè)計(jì)時(shí)，IGBT的選型要考慮到四個(gè)基本要求，一個(gè)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(nèi)，怎么應(yīng)用IG

2、BT都可以；第二個(gè)是在熱設(shè)計(jì)上的限制，還有結(jié)構(gòu)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(shí)候的保護(hù)。這個(gè)是開通和關(guān)斷時(shí)候的波形，這個(gè)是相關(guān)的開通和關(guān)斷時(shí)候的定義。我們做設(shè)計(jì)的時(shí)候，結(jié)溫的要求，比如長期工作必須保證溫度在安全結(jié)溫之內(nèi)，做到這個(gè)保證的前提是需要把這個(gè)模塊相關(guān)的應(yīng)用參數(shù)提供出來。這樣結(jié)合這個(gè)參數(shù)以后，結(jié)合選擇的IGBT的芯片，還有封裝和電流，來計(jì)算產(chǎn)品的功耗和結(jié)溫，是否滿足安全結(jié)溫的需求。1.2 熱限制熱限制就是我們脈沖功率，時(shí)間比較短，它可能不是一個(gè)長期的工作點(diǎn)，可能突然增加，

3、這個(gè)時(shí)候就涉及到另外一個(gè)指標(biāo)，動(dòng)態(tài)熱阻，我們叫做熱阻抗。這個(gè)波動(dòng)量會(huì)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(dòng)量非常 小，這個(gè)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(gè)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(jié)構(gòu)上面，其實(shí)也會(huì)和封裝相關(guān)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的時(shí)候會(huì)布局和結(jié)構(gòu)的問題，不同的設(shè)計(jì)它的差異性很大。  1.4 可靠性要求可靠性問題，剛才說到結(jié)溫波動(dòng)，其中最擔(dān)心就是結(jié)溫波動(dòng)以后，會(huì)影響到這個(gè)綁定線和硅片之間的焊接，時(shí)間久了，這兩種材料本身之間

4、的熱抗系數(shù)都有差異，所以在結(jié)溫波動(dòng)情況下，長時(shí)間下來，如果工藝不好的話，就會(huì)出現(xiàn)裂痕甚至斷裂，這樣就會(huì)影響保護(hù)壓降，進(jìn)一步導(dǎo)致IGBT失效。第二個(gè)就是熱循環(huán)，主要體現(xiàn)在硅片和DCB這個(gè)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(gè)失效很明顯。另一個(gè)在我們一般的應(yīng)用中體現(xiàn)不到，就是宇宙射線的問題，這個(gè)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(hù)，在IGBT安全運(yùn)營里面，我們需要強(qiáng)調(diào)兩倍的電流關(guān)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(shí)限所規(guī)定的范圍之內(nèi)，你就可以保證這個(gè)產(chǎn)品的安全。

5、那這個(gè)虛線代表芯片的特性，時(shí)限代表端子，所以模塊內(nèi)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(shè)計(jì)理念2.1 IGBT的安全工作區(qū)設(shè)計(jì)要求另外，在我們的選型過程中，我們的阻斷電壓，它這個(gè)1700V或者我們1200V或者其他電壓等級，這個(gè)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(guān)的，所以會(huì)直接損害IGBT。那另外就是我們關(guān)斷的時(shí)候要知道關(guān)斷的特性，像第三代、第四代IGBT，對關(guān)斷影響相對較小，如果說你要想很好的去影響關(guān)斷特性，一定要采用大的關(guān)斷電阻，我們IGBT主要特性在關(guān)斷上，開通是二極管限制了開通特性。另外就是二極管，二

6、極管部分，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(fù)好的話，有可能超出了二極管的安全工作區(qū)，就可能會(huì)使二極管失效。這個(gè)是一般規(guī)格數(shù)上，大功率都會(huì)給出二極管的SOA，這個(gè)是電流和電壓呈現(xiàn)的瞬時(shí)功率。另外一個(gè)比較重要的就是短路，其實(shí)短路在我們實(shí)際的系統(tǒng)中是經(jīng)常會(huì)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(gè)是IGBT開通以后的，這個(gè)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(shí)間來定義。我們必須要嚴(yán)格控制這

7、個(gè)IGBT在短路十秒之內(nèi)要關(guān)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(dāng)VGE是17V的時(shí)候，就會(huì)縮小。所以我們一定要鉗制在15V，這樣才有時(shí)間來保護(hù)IGBT。無外乎這兩種方式。這些都會(huì)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(shí)候的電流是有幫助的。  另外對于我們談到的RBSOA里面，這個(gè)是模塊內(nèi)部優(yōu)化的特性，同樣是我們1400A的，這個(gè)是 1000A的，在2000A的時(shí)候這個(gè)壓降是700多V，雖然模塊內(nèi)部的集成電感不一樣，所以它的壓降下降小一些。 我們?nèi)绾翁岣呶覀冞@個(gè)產(chǎn)品

8、的輸入電流呢？它的冷卻方式很關(guān)鍵的，這邊給出風(fēng)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(fēng)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(gè)是大功率的產(chǎn)品，這個(gè)是1000A，這個(gè)是1200A，這個(gè)特性都不完全一樣，下面是具體的數(shù)據(jù)。在不同的開關(guān)數(shù)據(jù)情況下，就會(huì)表現(xiàn)出來剛才談到的這個(gè)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(quán)重里面，本身集成電壓都很大。  2.2冷卻熱設(shè)計(jì)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(fēng)冷兩種模式，在輸入

9、電流上面，等級也是不一樣的。這個(gè)是 1400A的模塊的話，在水冷和風(fēng)冷兩個(gè)條件下，是完全不相同的，這個(gè)是采用水冷方式，盡管也是低的熱阻，相當(dāng)于外部散熱條件非常好。在冷卻里面，這是典型的風(fēng)冷方式，也可以通過在散熱器上固熱管，增加熱源向外圍擴(kuò)散的能力，也可以提高散熱能力，增加模塊的模塊。當(dāng)然這個(gè)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(dāng)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(shù)上的IGBT的剖析面，這個(gè)是IGBT的硅片，這個(gè)是D

10、CB，這個(gè)藍(lán)顏色是焊層，這邊是我們的綁定線。還有用在化學(xué)腐蝕程度比較高的地方，同樣可以看到對產(chǎn)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(shè)計(jì)和生產(chǎn)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(zhì)量問題，這些闡述都是生產(chǎn)IGBT、保護(hù)產(chǎn)品一個(gè)可靠性方面必須要下的工夫，另外對于客戶來說，它的應(yīng)用條件就決定了產(chǎn)品的使用壽命問題。主要影響到溫度和負(fù)荷周期，你就會(huì)計(jì)算到負(fù)荷周期情況下的波動(dòng)，這樣就會(huì)估算產(chǎn)品壽命。 這個(gè)是我們一些經(jīng)過一定的循環(huán)周期以后，它的失效的一些模式，這個(gè)是綁定線翹起來了，還有金屬化，時(shí)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(gè)產(chǎn)品使用循環(huán)能力。另外我們在這個(gè)曲線里面，我們可以看到，一般結(jié)溫是我們芯片內(nèi)部的，同樣可以看到 在這樣結(jié)溫波動(dòng)里面，散熱器的問題，它的波動(dòng)量和我們底板的波動(dòng)量是完全不一樣的，外圍波動(dòng)非常小，但是里面波動(dòng)量非常大。另外標(biāo)準(zhǔn)是5%的電壓，超過 5%的扁平值，我們就認(rèn)為它失效。有些供應(yīng)商可能給出的指標(biāo)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(gòu)成。這個(gè)主要是用的焊接材料自身和兩個(gè)DCB和硅片之間，就是銅和硅之間，膨脹系數(shù)也有差異，在負(fù)荷周期的應(yīng)用條件情況下，它的可能

12、的波動(dòng)和絕對值的溫度，都影響到產(chǎn)品的使用壽命。它主要相關(guān)的三個(gè)指標(biāo)，一個(gè)是工藝循環(huán)周期，熱循環(huán)周期。這個(gè)表你可以看到，這個(gè)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(jié)合的產(chǎn)品，還有氮化鋁，他們之間作用的結(jié)合材料，這種材料結(jié)合出來的結(jié)果，這個(gè)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?。另外我們衡量熱循環(huán)周期，同樣也有這樣的曲線，這個(gè)代表可溫波動(dòng)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(qiáng)型的，同樣的情況下你可以看到波動(dòng)情況

13、。     另外，這個(gè)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(shí)候，它的波動(dòng)量，一定循環(huán)周期差距也是比較大。我們失效標(biāo)準(zhǔn)，是熱阻的 1.2倍來判斷這個(gè)產(chǎn)品是否發(fā)生了失效。3 IGBT在風(fēng)能中的典型應(yīng)用 在兩個(gè)典型的應(yīng)用里面，我今天拿的是風(fēng)能來做討論，一種是直驅(qū)，一種是雙線，我們提供四種不同解決方案，我們看到ECONODUAL3，這個(gè)產(chǎn)品它的性價(jià)比是非常高的，但是要并聯(lián)。做這種黑模塊的話，單體價(jià)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(chǎn)品。  這些對產(chǎn)品使用壽命和可靠性，還有對于維護(hù)方面都提出了要求。這個(gè)是我

14、們典型的變流器的大小，這個(gè)機(jī)柜是標(biāo)準(zhǔn)型的，在應(yīng)用里面，風(fēng)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(diǎn)。對于我們維護(hù)的時(shí)候很方便，損壞了以后我們維護(hù)它很方便，也會(huì)帶來維修成本提升。另外性價(jià)比很高，也會(huì)選擇相對而言比較價(jià)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(gè)IGBT。還有在可靠性上面，推薦第四代IGBT，它的結(jié)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(jī)柜上面拆下來，對客戶維護(hù)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(chǎn)品間歇要求 不一樣，由于空氣稀薄以后，如果是風(fēng)冷的話，可能會(huì)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的功率降下去。另外也談到了，高海拔要防護(hù)宇宙射線。  這是我們舉的兩個(gè)產(chǎn)品，這是