IGBT选型的要求要点.docx
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IGBT选型的要求要点
IGBT的选型要求、设计理念及在风能中的应用
热3已有125次阅读 2011-09-2812:
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要做高功率设计，需要选择合适的IGBT，并在此基础上合理设计和应用IGBT。
本文从介绍IGBT选型的四大基本要求及三大设计理念入手，再辅以IGBT在风能中的应用案例，旨在帮助工程师正确选择合适的IGBT，并合理设计和应用IGBT，从而实现高功率密度的设计。
本文整理自第七届新型节能设计技术研讨会，更详细的内容请浏览：
1IGBT选型的四个基本要求
做高功率设计时，IGBT的选型要考虑到四个基本要求，一个就是明确知道IGBT的安全工作区，只要在安全工作区之内，怎么应用IGBT都可以；第二个是在热设计上的限制，还有结构上面、可靠性上面。
1.1安全工作区
在安全上面，主要指的就是电的特性，除了常规的变压电流以外，还有RBSOA（反向偏置安全工作区）和短路时候的保护。
这个是开通和关断时候的波形，这个是相关的开通和关断时候的定义。
我们做设计的时候，结温的要求，比如长期工作必须保证温度在安全结温之内，做到这个保证的前提是需要把这个模块相关的应用参数提供出来。
这样结合这个参数以后，结合选择的IGBT的芯片，还有封装和电流，来计算产品的功耗和结温，是否满足安全结温的需求。
1.2热限制
热限制就是我们脉冲功率，时间比较短，它可能不是一个长期的工作点，可能突然增加，这个时候就涉及到另外一个指标，动态热阻，我们叫做热阻抗。
这个波动量会直接影响到IGBT的可靠性，就是寿命问题。
你可以看到50赫兹波动量非常小，这个寿命才长。
1.3封装要求
封装要求主要体现在外部封装材料上面，像我们现在这种封装形式，这个是ECONO DUAL3的例子，主要是描述材料在污染情况下，是否能够满足一些要求。
在结构上面，其实也会和封装相关，因为设计的时候会布局和结构的问题，不同的设计它的差异性很大。
1.4可靠性要求
可靠性问题，刚才说到结温波动，其中最担心就是结温波动以后，会影响到这个绑定线和硅片之间的焊接，时间久了，这两种材料本身之间的热抗系数都有差异，所以在结温波动情况下，长时间下来，如果工艺不好的话，就会出现裂痕甚至断裂，这样就会影响保护压降，进一步导致IGBT失效。
第二个就是热循环，主要体现在硅片和DCB这个材料之间，他们之间的差异性。
如果失效了以后，就分层了，材料与材料之间特性不一样，就变成这样情况的东西，这个失效很明显。
另一个在我们一般的应用中体现不到，就是宇宙射线的问题，这个宇宙射线对IGBT器件也是很重要的影响，尤其是在高海拔，我们一般都要做防宇宙射线的防护，在IGBT安全运营里面，我们需要强调两倍的电流关断能力，这是规格数上给的BSO的曲线，建议客户不要超过时限所规定的范围之内，你就可以保证这个产品的安全。
那这个虚线代表芯片的特性，时限代表端子，所以模块内部要采用叠层模块的形式，就是要缩短这一部分压降。
2 IGBT的三大设计理念
2.1IGBT的安全工作区设计要求
另外，在我们的选型过程中，我们的阻断电压，它这个1700V或者我们1200V或者其他电压等级，这个电压量一般不允许超过，一旦超过就引起失效，对于电流来说，与热还是相关的，所以会直接损害IGBT。
那另外就是我们关断的时候要知道关断的特性，像第三代、第四代IGBT，对关断影响相对较小，如果说你要想很好的去影响关断特性，一定要采用大的关断电阻，我们IGBT主要特性在关断上，开通是二极管限制了开通特性。
另外就是二极管，二极管部分，还有脉冲电流的问题，它也是两倍的问题，另外谈到二极管，它在工作中，如果IGBT开通太快，反向二极管如果没有恢复好的话，有可能超出了二极管的安全工作区，就可能会使二极管失效。
这个是一般规格数上，大功率都会给出二极管的SOA，这个是电流和电压呈现的瞬时功率。
另外一个比较重要的就是短路，其实短路在我们实际的系统中是经常会发生的，而且短路的模式主要是这两种，一种是短路一、一种是短路二，一种是硬短路，一种是软短路，这个是IGBT开通以后的，这个是没有开通发生的短路。
一般规格书上给出的数据是短路一给出的，就是硬短路给出的。
短路的定义里面，我们是这样的时间来定义。
我们必须要严格控制这个IGBT在短路十秒之内要关断短路过程。
一旦超过10秒以后，有可能就被热死掉。
它对于VGE的电压量非常敏感，一般我们给出15V，当VGE是17V的时候，就会缩小。
所以我们一定要钳制在15V，这样才有时间来保护IGBT。
无外乎这两种方式。
这些都会有效的帮助你在IGBT发生短路以后，有限制短路电流，另外可以加入一些小的电容，对短路时候的电流是有帮助的。
另外对于我们谈到的RBSOA里面，这个是模块内部优化的特性，同样是我们1400A的，这个是1000A的，在2000A的时候这个压降是700多V，虽然模块内部的集成电感不一样，所以它的压降下降小一些。
我们如何提高我们这个产品的输入电流呢？
它的冷却方式很关键的，这边给出风冷和水冷的方式，采用同样的模块，在一定的工作频率情况下，如果采用传统的风冷的方式，大概是0.015的水平，如果水冷的话，可以提升到0.006的水平。
这个是大功率的产品，这个是1000A，这个是1200A，这个特性都不完全一样，下面是具体的数据。
在不同的开关数据情况下，就会表现出来刚才谈到的这个直流电压利用率的问题，这边允许电压最大值到这样的水平。
P4和E3的话，是这样的水平形式。
你可以看到在这种大功率的权重里面，本身集成电压都很大。
2.2冷却——热设计理念
在提高电流密度上面，如果是不同的模块，同样是水冷和风冷两种模式，在输入电流上面，等级也是不一样的。
这个是1400A的模块的话，在水冷和风冷两个条件下，是完全不相同的，这个是采用水冷方式，尽管也是低的热阻，相当于外部散热条件非常好。
在冷却里面，这是典型的风冷方式，也可以通过在散热器上固热管，增加热源向外围扩散的能力，也可以提高散热能力，增加模块的模块。
当然这个是贴在表面上，还有一种是这样子的方式，增加散热器的散热能力，当然在这些散热里面，水冷的方式是最好的冷却方式，对于提高功率密度而言。
它的热阻也非常小，要保证低的热阻。
2.3可靠性要求
2.3.1绑定线焊接
对于可靠性，我们的绑定线链接，还有焊接，这是完整的技术上的IGBT的剖析面，这个是IGBT的硅片，这个是DCB，这个蓝颜色是焊层，这边是我们的绑定线。
还有用在化学腐蚀程度比较高的地方，同样可以看到对产品有很高的损坏。
对于绑定线这种链接，我们对于我们自己的设计和生产工艺就提出了比较高的要求，涉及到绑定线的材料、金属表面的形状，绑定线做的形状，绑定线自身链接质量问题，这些阐述都是生产IGBT、保护产品一个可靠性方面必须要下的工夫，另外对于客户来说，它的应用条件就决定了产品的使用寿命问题。
主要影响到温度和负荷周期，你就会计算到负荷周期情况下的波动，这样就会估算产品寿命。
这个是我们一些经过一定的循环周期以后，它的失效的一些模式，这个是绑定线翘起来了，还有金属化，时间久了发生龟裂。
还有拐弯的地方、弯曲的地方，很容易发生断裂。
我们用这种曲线来描述这个产品使用循环能力。
另外我们在这个曲线里面，我们可以看到，一般结温是我们芯片内部的，同样可以看到在这样结温波动里面，散热器的问题，它的波动量和我们底板的波动量是完全不一样的，外围波动非常小，但是里面波动量非常大。
另外标准是5%的电压，超过5%的扁平值，我们就认为它失效。
有些供应商可能给出的指标可能不太一样。
2.3.2焊接层的分层
另外一种就是刚才说到的分层，表现出来就是焊接层上面，焊接层的厚度和焊接层的构成。
这个主要是用的焊接材料自身和两个DCB和硅片之间，就是铜和硅之间，膨胀系数也有差异，在负荷周期的应用条件情况下，它的可能的波动和绝对值的温度，都影响到产品的使用寿命。
它主要相关的三个指标，一个是工艺循环周期，热循环周期。
这个表你可以看到，这个是正常的硅片，我们IGBT芯片硅片用的材料，还有工业级用的三样化二铝硅片结合的产品，还有氮化铝，他们之间作用的结合材料，这种材料结合出来的结果，这个就是我们铜底板和三氧化二铝在600次循环以后，分层就非常明显。
这种是增将性的三氧化二铝，1000次以后有轻微的分层。
你可以看到这两种材料之间的热膨胀系数非常靠近。
另外我们衡量热循环周期，同样也有这样的曲线，这个代表可温波动量，这边是我们的次数，这边是我们定义的条件，这边是工业级的，这种是增强型的，同样的情况下你可以看到波动情况。
另外，这个是在不同的可能的条件情况下，在100度的温度和200度的温度的时候，它的波动量，一定循环周期差距也是比较大。
我们失效标准，是热阻的1.2倍来判断这个产品是否发生了失效。
3IGBT在风能中的典型应用
在两个典型的应用里面，我今天拿的是风能来做讨论，一种是直驱，一种是双线，我们提供四种不同解决方案，我们看到ECONODUAL3，这个产品它的性价比是非常高的，但是要并联。
做这种黑模块的话，单体价格相对高一些，不用并联。
所以方案选择上，要怎么平衡选择的产品。
这些对产品使用寿命和可靠性，还有对于维护方面都提出了要求。
这个是我们典型的变流器的大小，这个机柜是标准型的，在应用里面，风能的特殊要求里面，对我们来说，功率密度要提升，要做高一点。
对于我们维护的时候很方便，损坏了以后我们维护它很方便，也会带来维修成本提升。
另外性价比很高，也会选择相对而言比较价格低的IGBT作为方案。
一般的话我们推荐对我们来说都是第四个IGBT。
还有在可靠性上面，推荐第四代IGBT，它的结温和特性，还有功率循环周次，和热循环周次都做了提升。
目前我们见得比较多的是这种，很容易到机柜上面拆下来，对客户维护来说也很方便，这是比较典型的变流器。
另外在高海拔上面，高海拔的话，刚才讲到了它的空气比较稀薄。
另外对我们的产品间歇要求不一样，由于空气稀薄以后，如果是风冷的话，可能会降低，水冷的话影响不是很大。
由于我们在高海拔、空气稀薄的情况下，它的间隙要求高了以后，如果满足不了标准的话，可能我们就要把直流电压降下去，把输入电压降下去，把对应的功率降下去。
另外也谈到了，高海拔要防护宇宙射线。
这是我们举的两个产品，这是ECONODUAL3的，这个间隙是10毫米。
另外你可以通过这样的标准查询，可以看到在我们通常的系统里面，如果按照6000V的脉冲，污染等级按照3来处理，最小的这种在2000米的海拔要求下，它是5.5最小的间距。
如果海拔比较高的情况下，你要有这样的修正系数，这个修正系数给出了不同的海拔它乘的系数。
通过这些标准可以看到，ECONODUAL3而言，可以满足高海拔需求。
这种应用里面，可以给出很典型的应用方案。
这是在直驱里面的方案。
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