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IGBT模块的选择(2)


由于功率开关器件的实际工作条件同手册中给出的指标的测试条件是不同的,因此,实际使用中功率开关器件能达到的指标同手册中给出的指标相比都会有差别,实际使用中这些指标都会下降。引起功率开关器件降额的最主要因素是温度,而降额最明显的指标是功率开关器件的电流容量。半导体工作在较高的温度条件下会变成导体,从而失去电压阻断能力,因此,功率开关器件工作中管芯的温度(结温)不能超过允许值。这一上限值同管芯材料和工艺有关。功率开关器件使用手册中给出的电流容量通常是在壳温为 25℃、结温为上限的条件下测得的数据,而实际使用时壳温往往要高得多,结温又必须与上限值保持一定的裕量,因此,允许的结温、壳温差要小得多,从而使功率开关器件实际允许的耗散功率大打折扣。由于耗散功率同流过器件的电流密切相关,因此器件实际允许的电流容量也就下降了。
    在实际设计中,应该计算出功率开关器件工作时的电压和电流峰值,并根据安全工作区( SOA)来初步选择器件的电压和电流容量,然后估算功率开关器件的发热功率和最高环境温度下功率开关器件工作时的壳温,再根据壳温来决定降额量。由于降额,可能需要将最初选定的功率开关器件的容量放大,才能最终决定功率开关器件的参数。考虑到工作时电压、电流的冲击,功率开关器件的参数选择应留有充足的裕量。另外,还要考虑IGBT生产厂家有关的生产规格。软开关变换器中功率开关器件的选择包括以下两个部分。
1)软开关变换器中三相逆变桥电路的主开关功率器件S1 ~ S6。相对于传统的硬开关技术变换器来说,零电压过渡软开关技术变换器中主功率开关器件工作过程中的最大改变就是在零电压条件下开通。由于硬开关技术变频电源中也有吸收电路存在,所以,主功率开关器件的关断过程两者是一样的。另外,主功率开关器件的稳态损耗两者也是一样的。主功率开关器件的选择参考了硬开关技术变换器的选择原则,例如:根据日本三菱公司的使用手册,50kVA (37kW)变频电源的电流有效值为75A,峰值电流为106A。考虑到1.4倍的降额因数,留够2倍的工作裕量,故选定主功率开关器件S1 ~S6的额定参数为1200V、300A。
2)辅助谐振回路中的辅助功率开关器件Sr1~Sr6。辅助开关的工作时间可以控制得很短,所以,对其功率要求比较小,但通过其中的峰值电流并不小,还要高于主开关功率开关器件S1~S6。对于IGBT来说,无论峰值电流通过的时间长短,其额定电流的选择一定要保证为通过它的峰值电流的1.5~2. 0倍。但是,在这里可以充分利用IGBT的安全工作区,在安全工作区内IGBT可以承受至少两倍的额定电流值,且不会对IGBT有任何的损坏。辅助开关中通过的最大电流isrm可以表示为:
辅助开关中通过的最大电流isrm
80A,则辅助开关中通过的最大电流isrm约为260A,所以,辅助开关Sr1~Sr6的额定参数可以为1200V、300A。
    3. IGBT的安全工作条件
1)驱动电路:由于IGBT的Uce(sat)和短路耐量之间的折衷关系,建议将栅极电压选为+UG=15V±10%,-UG=5 -10V。栅极电阻与IGBT的开通和关断特性密切相关,RG小时开关损耗减少,开关时间缩短,关断脉冲电压增大。应根据浪涌电压和开关损耗的最佳折衷关系(与频率有关)选择合适的RG值,一般选为10~27欧。为防止栅极开路,在栅极与发射极间并联20~30K欧的电阻。
2)保护电路:IGBT模块使用在高频时,布线电感容易产生尖峰电压,必须注意布线电感和组件的配置。应设的保护项目有:过电流保护、过电压保护、栅极过压及欠压保护、安全工作区、过热保护。
3)吸收电路:由于IGBT开关速度快,容易产生浪涌电压,所以必须设有浪涌钳位电路。
4)IGBT并联使用时应考虑栅极电路的线路布线、电流不平衡和器件之间的温度不平衡等问题。
4.IGBT模块及快恢复二极管模块的选用
    在选用IGBT模块前,应详细阅读模块参数表,了解模块的各项技术指标;根据模块的各项技术参数确定使用方案,计算通态损耗和开关损耗,选择相匹配的散热器及驱动电路。应用中不能超过数据表中所列的最大额定值,工作频率愈高,工作电流愈小;基于可靠性的原因,必须考虑安全系数。不同厂家生产的模块由于其设计和工艺的不同,其产品的技术指标会有很大的差别,因此,在选用时需要特别注意以下几点。
    (1)绝缘材料的选取
    由于不同绝缘材料的热导率有很大的差别,其价格也相差很大,因此,导致不同厂家生产的同一外形结构的模块,其实际允许通过的电流容量存在很大的差异。
    (2)芯片的选取
    为了保证模块达到额定电流的容量,首先要保证芯片的通态压降;其次要保证芯片的电流密度,即芯片的直径。芯片密封在外壳内,直径是无法看到的,只有通过测试通态压降等参数才能了解芯片的性能。
    (3)焊接IGBT模块的焊接孔洞
影响焊接模块质量的主要因素是模块的焊接质量,特别是焊接孔洞和虚焊的发生将严重影响产品的导热和导电性能。其产生的主要原因是焊接过程中助焊剂产生的气泡没有排出去,残留在焊接面内,形成孔洞:或者在焊接前对焊接面的清洗不净,导致虚焊等。
    (4)模块基板的形状与接触热阻
模块的热量要通过基板传导出去,因此,模块基板与散热器接触的好坏,即模块基板与散热器的接触热阻直接影响模块的散热效果。若模块焊接的工艺不合理,基板通常会产生中间向下凹的现象,因此,当将模块固定在散热器上时,模块的中间部分不能与散热器很好地接触,使散热器不能充分发挥作用,导致模块无法通过额定电流,通过很小的电流就会烧毁。
    (5)模块的电流容量
    由于模块是单面散热,若模块的电流容量做得过大,其消耗的功率必将增大,当模块的电流容量达到一定的数值时,要求模块与散热器之间的热阻非常小,这是采用常规的散热方法所无法达到的。特别是对于大电流模块,用于散热的基板面积很大,要保证模块基板的整个平面与散热器具有良好的接触,单靠模块的几个紧固螺栓是很难达到的。若接触不良或局部接触不上,模块与散热器的接触热阻将增加几倍或几十倍以上,模块的电流容量将大大下降。所以,某些模块虽然标称几千安的电流容量,而在实际应用中很难达到其标称额定电流容量,因此,模块并不是电流越大越好。
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