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IGBT電流的誤解和流言

QjeK_yflgybdt ? 來源:英飛凌工業半導體 ? 作者:陳子穎 ? 2021-11-01 15:51 ? 次閱讀

IGBT電流是器件基本參數之一,顯而易見FS450R12KE4就是450A 1200V IGBT模塊。這樣的理解對于日常工作交流來說是足夠了,但對于一位設計工程師是遠遠不夠的,而且業內充滿著誤解和流言。

流言一

450A IGBT模塊最大輸出電流能力是450A,系統設計中需要留足夠的余量

450A是FS450R12KE4的標稱電流。那么什么是標稱電流?為了搞清楚這一問題最好的辦法是尋根問祖,從英飛凌芯片的數據手冊發掘線索。

找到FS450R12KE4內部IGBT芯片IGC142T120T8RM的數據手冊,奇怪的是芯片型號上沒有電流信息,142并不是芯片電流,而是芯片的面積,其單位是平方毫米。而且數據手冊中也沒有給出芯片集電極直流電流,數值留白,注釋中說明,該值受最大虛擬結溫Tvjmax限制,并取決于裝配的熱性能,裝配包括IGBT產品封裝和系統熱設計。

雖然芯片數據手冊首頁上確實給出了Icn=150A,但明確說明這是應用案例FS450R12KE4 EconoPACK+模塊,在TC=100°C時,封裝在這一功率模塊中,此時芯片的標稱集電極電流。

由此我們可以得出結論:

結論一:IGBT芯片的集電極直流電流取決于散熱,最高虛擬結溫不要超過Tvjmax限制。

基于結論一,我們應該去研究模塊的數據手冊,在模塊的數據手冊上可以讀到,連續集電極直流電流與殼溫有關,準確說連續集電極直流電流是在給定的殼溫下定義的,這可以猜想這一電流與直流下的損耗、結到殼的熱阻有關。

這樣算出來只有160oC,你可能會想不是說好按照175oC定義的嗎?這樣連續集電極直流電流不是可以更大?不完全對,這里還需要考慮其它因素。

流言二

450A IGBT模塊峰值電流能力是450A,輸出有效值電流遠小于450A

這就要研究IGBT的脈沖電流能力,我們還是從芯片出發。在表1,IGBT4 IGC142T120T8RM數據手冊中可以找到集電極脈沖電流450A,但脈沖寬度受限于最高虛擬結溫Tvjmax,這里有個說明,這是設計值并通過了設計驗證,生產中不作測試。這是因為芯片沒有散熱系統因而無法測試芯片的電流能力。

再看模塊,表3,FS450R12KE4 EconoPACK+模塊數據手冊截圖,其中明確給出了集電極重復峰值電流ICRM=900A,2倍于模塊100度管殼溫度下的連續集電極直流電流,即標稱電流450A。

同時在圖表中給出了反偏安全工作區RBSOA,這代表IGBT關斷電流能力,就是說英飛凌的IGBT模塊可以可靠關斷2倍于自己的標稱電流,這一重要參數在出廠檢驗中100%測試。

結論二:450A IGBT模塊在散熱足夠好的設計中,可以承受一定脈沖寬度的900A重復峰值電流,并可靠關斷,設計原則最高工作結溫不超過150℃。

流言三

在系統設計中,超過器件標稱電流,可靠性降低,只能過載時偶爾為之。

我們來看一個反例:家用單端電磁爐采用準諧振電路。

2200W電磁爐一般采用20A IGBT,譬如IHW20N120R5逆導型IGBT單管。從表4中看出:其集電極直流電流在管殼溫度100度時為20A,集電極脈沖電流為60A,這一單管的集電極脈沖電流和RBSOA為標稱電流的3倍。

由于準諧振電路,IGBT開通時電壓很低,但由于諧振電容,脈沖電流很大,將近50A,這時有相當高的開通和導通損耗;關斷時是零電壓,雖然關斷電流高達60A,已經達到RBSOA的極限,但關斷損耗并不大。

實際案例系統以23kHz的諧振頻率工作,就是說20A IGBT 以23kHz的頻率連續關斷60A電流,條件是損耗合理,散熱足夠好,保證結溫不超過允許的最高工作結溫150度。

關于IGBT模塊的結論:

英飛凌IGBT模塊型號上是標稱電流,是基于一定的殼溫計算得到的集電極直流電流,與實際IGBT開關輸出電流并不是一個概念。

系統設計原則一:IGBT的最高工作結溫不允許超過最高工作結溫。

系統設計原則二:IGBT最大電流取決于脈沖電流能力和反偏安全工作區,也就是IGBT關斷電流能力,一般是兩倍的標稱電流,設計中關斷電流不能超過反偏安全工作區,那么系統設計是安全可靠的。

責任編輯:haq

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原文標題:IGBT的電流是如何定義的

文章出處:【微信號:yflgybdt,微信公眾號:英飛凌工業半導體】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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