高海拔对IGBT模块应用的影响

高海拔环境的两个主要特点及其影响，随着海拔高度的增加，大气的压力下降，空气密度和湿度相应地减少，其特征为：
高海拔空气稀薄，气压低。 l  空气稀薄 -> 风流量减小。
海拔高度增加，宇宙射线粒子增加。
l  宇宙射线粒子 -> 破坏功率器件的空间电荷区电场，造成器件失效。
高海拔和电气间隙（Clearance）
帕邢定律：在均匀电场中，击穿电压和电极距离与气压的乘积成正比。
l  气压降低、间隙距离不变-> 击穿电压降低：绝缘？
空气压力或空气密度的降低，引起外绝缘强度的降低。在海拔至5000m范围内，每升高1000m，即平均气压每降低7.7~10.5kPa,外绝缘强度降低8%~13%.
安规（如IEC60664-1）对绝缘的相关规定：由系统电压、过压等级和绝缘等级确定所需电气间隙距离，并按海拔高度进行修正。转载请注明出处：http://www.igbt8.com/jc/142.html
l  例如：对于400V相电压/690V线电压系统，如考虑在过压等级3条件下满足加强绝缘（reinforced insulation）要求，则电气间隙距离应为8mm（海拔2000米或以下时）。
电气间隙距离的海拔修正系数（IEC60664-1） 高海拔对IGBT模块应用的影响-电气间隙
IGBT模块：封装的电气间隙距离应满足海拔高度所对应的要求
l  FFxxxxR17KE3（IHM-A）：10.0mm（4000米->10.32mm）
l  FZxxxxR17KE3（IHM-A）：19.0mm（8000米-> 18mm）
l  FFxxxxR17IE4（PrimePACK）：19.0mm （8000米-> 18mm）
l  FZxxxxR17HP4（IHM-B）：19.1mm（9000米-> 20.96mm）
系统（变流器）：电气间隙距离的设置应满足海拔高度所对应的要求
当电气间隙距离无法调整、模块无法更换时（即：按低海拔设计的系
统用于高海拔时）：电压降额使用（降低系统额定电压）
l  直流母线电压
l  交流电压
高海拔对IGBT模块应用的影响-风流量
IGBT模块的散热：风冷、水冷
系统（变流器）其它部分（PCB、电容、冷却液）的散热：风冷
空气稀薄、风机不变->风流量减小->散热效果变差
l  直接影响风冷变流器的电流输出能力
l  间接影响水冷变流器的电流输出能力
按高海拔环境设计风冷（风机、散热器）和选择IGBT模块的电流规格
当风流量无法调整、模块无法更换时（即：按低海拔设计的系统用于高海拔时）：电流降额使用（降低系统的额定输出电流）
高海拔和宇宙射线
宇宙射线：由宇宙星体产生、并在辐射过程中衍生出的高能粒子
l  原生：可能为超新星、恒星体产生，和太阳活动有关
l  次生：辐射过程中衍生出的核子（质子、中子）、介子和电磁辐射
次生射线可直达地面并覆盖广大区域。
中子破坏功率器件的空间电荷区电场（原子电离反应），造成器件失效。 高海拔和宇宙射线
l  宇宙射线粒子数随海拔高度的增加而增加（海拔高度15千米以下区间）
l  宇宙射线所造成的器件失效率随海拔高度的增加而加速上升 功率器件的失效率（FIT）
l  由宇宙射线造成的功率器件失效率，除了和海拔高度有关，也和另外两个因素有关
l  器件关断状态下承受的实际电压（直流母线电压，相对于器件的阻断电压规格）：直流母线电压上升，失效率上升；
l  芯片温度（IGBT结温）：结温上升，失效率下降。
高海拔对IGBT模块应用的影响-如何限制失效率
宇宙射线很难防护
限制直流母线电压
l  对1700V及以下的IGBT模块，高海拔应用只需限制直流母线电压的额定值（如控制在1100V以下），无需电压降额使用。
l  对3300V和6500V的IGBT模块，高海拔应用时可参考模块的直流稳定性（DC Stability），必要时电压降额使用。
Ø  33KF2C/KL2C：1800V/2150V (100 FIT, Tvj=25°C)
Ø  33HE3/HL3：2100V (100 FIT, Tvj=25°C)
Ø  65KF2：3700V (100 FIT, Tvj=25°C)
Ø  65KE3：3800V (100 FIT, Tvj=25°C)
充分利用IGBT模块的最高允许结温规格。