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    IGBT的電流是如何定義的

    發(fā)布時(shí)間:2021-11-29 來(lái)源:英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體 責(zé)任編輯:wenwei

    【導(dǎo)讀】IGBT的電流是器件基本參數(shù)之一,顯而易見(jiàn)FS450R12KE4就是450A 1200V IGBT模塊。這樣的理解對(duì)于日常工作交流來(lái)說(shuō)是足夠了,但對(duì)于一位設(shè)計(jì)工程師是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,而且業(yè)內(nèi)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(tǒng)設(shè)計(jì)中需要留足夠的余量


    450A是FS450R12KE4的標(biāo)稱(chēng)電流。那么什么是標(biāo)稱(chēng)電流?為了搞清楚這一問(wèn)題最好的辦法是尋根問(wèn)祖,從英飛凌芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)發(fā)掘線索。


    找到FS450R12KE4內(nèi)部IGBT芯片IGC142T120T8RM的數(shù)據(jù)手冊(cè),奇怪的是芯片型號(hào)上沒(méi)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(shù)據(jù)手冊(cè)中也沒(méi)有給出芯片集電極直流電流,數(shù)值留白,注釋中說(shuō)明,該值受最大虛擬結(jié)溫Tvjmax限制,并取決于裝配的熱性能,裝配包括IGBT產(chǎn)品封裝和系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)。


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    表1:TRENCHSTOP? IGBT4 IGC142T120T8RM數(shù)據(jù)手冊(cè)截圖


    雖然芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)首頁(yè)上確實(shí)給出了Icn=150A,但明確說(shuō)明這是應(yīng)用案例FS450R12KE4 EconoPACK?+模塊,在TC=100°C時(shí),封裝在這一功率模塊中,此時(shí)芯片的標(biāo)稱(chēng)集電極電流。


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    表2:TRENCHSTOP? IGBT4 IGC142T120T8RM數(shù)據(jù)手冊(cè)截圖


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    數(shù)據(jù)手冊(cè)中的注釋


    由此我們可以得出結(jié)論:


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


    基于結(jié)論一,我們應(yīng)該去研究模塊的數(shù)據(jù)手冊(cè),在模塊的數(shù)據(jù)手冊(cè)上可以讀到,連續(xù)集電極直流電流與殼溫有關(guān),準(zhǔn)確說(shuō)連續(xù)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(jié)到殼的熱阻有關(guān)。


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    表3:FS450R12KE4 EconoPACK?+模塊數(shù)據(jù)手冊(cè)截圖


    定義:


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    按照FS450R12KE4數(shù)據(jù)手冊(cè),研究一下:


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    這樣算出來(lái)只有160oC,你可能會(huì)想不是說(shuō)好按照175oC定義的嗎?這樣連續(xù)集電極直流電流不是可以更大?不完全對(duì),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(yuǎn)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(fā)。在表1,IGBT4 IGC142T120T8RM數(shù)據(jù)手冊(cè)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(jié)溫Tvjmax,這里有個(gè)說(shuō)明,這是設(shè)計(jì)值并通過(guò)了設(shè)計(jì)驗(yàn)證,生產(chǎn)中不作測(cè)試。這是因?yàn)樾酒瑳](méi)有散熱系統(tǒng)因而無(wú)法測(cè)試芯片的電流能力。


    再看模塊,表3,F(xiàn)S450R12KE4 EconoPACK?+模塊數(shù)據(jù)手冊(cè)截圖,其中明確給出了集電極重復(fù)峰值電流ICRM=900A,2倍于模塊100度管殼溫度下的連續(xù)集電極直流電流,即標(biāo)稱(chēng)電流450A。


    同時(shí)在圖表中給出了反偏安全工作區(qū)RBSOA,這代表IGBT關(guān)斷電流能力,就是說(shuō)英飛凌的IGBT模塊可以可靠關(guān)斷2倍于自己的標(biāo)稱(chēng)電流,這一重要參數(shù)在出廠檢驗(yàn)中100%測(cè)試。


    7.jpg


    結(jié)論二:450A IGBT模塊在散熱足夠好的設(shè)計(jì)中,可以承受一定脈沖寬度的900A重復(fù)峰值電流,并可靠關(guān)斷,設(shè)計(jì)原則最高工作結(jié)溫不超過(guò)150℃。


    流言三


    在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,超過(guò)器件標(biāo)稱(chēng)電流,可靠性降低,只能過(guò)載時(shí)偶爾為之。


    我們來(lái)看一個(gè)反例:家用單端電磁爐采用準(zhǔn)諧振電路。


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    圖1:電磁爐原理圖


    2200W電磁爐一般采用20A IGBT,譬如IHW20N120R5逆導(dǎo)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(shí)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(biāo)稱(chēng)電流的3倍。


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    表4:IHW20N120R5逆導(dǎo)型IGBT單管數(shù)據(jù)手冊(cè)截圖


    由于準(zhǔn)諧振電路,IGBT開(kāi)通時(shí)電壓很低,但由于諧振電容,脈沖電流很大,將近50A,這時(shí)有相當(dāng)高的開(kāi)通和導(dǎo)通損耗;關(guān)斷時(shí)是零電壓,雖然關(guān)斷電流高達(dá)60A,已經(jīng)達(dá)到RBSOA的極限,但關(guān)斷損耗并不大。


    實(shí)際案例系統(tǒng)以23kHz的諧振頻率工作,就是說(shuō)20A IGBT 以23kHz的頻率連續(xù)關(guān)斷60A電流,條件是損耗合理,散熱足夠好,保證結(jié)溫不超過(guò)允許的最高工作結(jié)溫150度。


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    圖2:電磁爐準(zhǔn)諧振電流電壓波形,電流紅色20A/div,電壓200V/div


    關(guān)于IGBT模塊的結(jié)論:


    英飛凌IGBT模塊型號(hào)上是標(biāo)稱(chēng)電流,是基于一定的殼溫計(jì)算得到的集電極直流電流,與實(shí)際IGBT開(kāi)關(guān)輸出電流并不是一個(gè)概念。


    系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則一:IGBT的最高工作結(jié)溫不允許超過(guò)最高工作結(jié)溫。


    系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(qū),也就是IGBT關(guān)斷電流能力,一般是兩倍的標(biāo)稱(chēng)電流,設(shè)計(jì)中關(guān)斷電流不能超過(guò)反偏安全工作區(qū),那么系統(tǒng)設(shè)計(jì)是安全可靠的。


    來(lái)源:英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體



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