如何选择适合的IGBT

IGBT参数的选择

在选用IGBT前，应详细阅读IGBT参数数据表，了解IGBT的各项技术指标；根据IG-BT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。

IGBT的电压规格与所使用装置的输入电源的电压紧密相关，使用中当IGBT集电极电流增大时，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增大，使器件发热加剧，因此，选用IGBT时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降额使用。在设计中选择IGBT时，需要选择适宜的额定电压、额定电流的IGBT。IGBT类型的选择应该根据所设计电源容量和对体积重量的要求来确定，还要考虑开关频率，制造成本等多方面的要求。通常情况下，IGBT参数的选择应考虑以下几个方面的因素。

（1）IGBT额定值（额定电压和额定电流）

1）额定电压。IGBT的额定电压与适用装置的输入电源电压有密切的关系。这种关系见表6-1。

表6-1 电源电压与IGBT的额定电压

2）额定电流。IGBT的集电极电流变大时，V_CE（sat）上升，发生的稳态损耗就变大。另外，交换损耗也同时增大，从而使元件的发热增加。由于需要使IGBT、FWD的结温控制在T_j≤150℃（从安全角度而言通常控制在125℃以下）下使用，因此选定IGBT的额定电流非常重要。一旦选错，将导致元件损坏或招致长期性的可靠性降低，这点应充分注意。另外还需要注意的是，在高频变换用途中，随着变换损耗的增大（变换的次数越多，综合的变换损耗也越大），发热也会增大。一般在装置的最大电流值不大于元件的额定电流的情况下使用。

根据IGBT生产厂商提供的资料（比如，日本三菱公司的应用手册），正确选用IGBT有两个关键的因素：

1）IGBT关断时，在任何被要求的过载条件下，集电极峰值电流必须处于开关安全工作区的规定之内（即小于两倍的额定电流）。

2）IGBT工作时的内部结温必须始终保持在150℃以下，在任何情况下，包括负载过载时，都必须如此。

在使用IGBT的场合，选择何种电压，电流规格的IGBT，需要依据所设计电路的拓扑和负载特性等参数。参数的选择的原则是适当留有余地，这样才能确保长期、可靠、安全地运行。工作电压≤（50%～60%）额定电压，结温≤（70%～80%）T_{j（额定）}，在这条件下器件是最安全的。制约安全的因素有：

1）在关断或过载条件下，I_C要处于安全工作区，即小于2倍的额定电流值。

2）IGBT峰值电流是根据200%的过载和120%的电流脉动率下来制定的。

3）结温一定在150℃以下，指在任何情况下，包括过载时。

IGBT开通电压为15V±10%，可产生完全饱和，而且开关损耗最小，当<12V时通态损耗加大，>20V时难以实现过流及短路保护。关断偏压为-5～-15V的目的是出现噪声仍可有效关断，可减小关断损耗最佳电压值约为-10V。饱和压降直接关系到通态损耗及结温高低，希望越小越好。饱和压降从1.7V～4.05V以每0.25～0.3V为一个等级，分为从C→M十个级。IGBT的电压规格与所用于电路的输入电源电压紧密相关，其相互关系见表6-2。

表6-2 IGBT的电压规格与输入电压关系

IGBT的集电极电流增大时，V_CE上升，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增大，IGBT发热加剧。因此，根据额定损耗，控制开关损耗所产生的热量在器件结温（T_j）允许值以下（通常为安全起见，以125℃以下为宜）。特别是用于高频开关时，由于开关损耗增大，发热也加剧，要将集电极电流的最大值控制在直流额定电流以下使用，从经济角度这是值得推荐的。

（2）IGBT的安全工作区（SOA）

设计中很重要的一点是防止IGBT因过电压或过电流而引起的损坏或工作不稳定，例如，用于电机控制和作为变压器负载的变频电源或斩波器，IGBT必须工作在其规范的开通过程和通态工作点额定值的正向偏置安全工作区（FBSOA）、规范其关断过程和断态工作点额定值的反向偏置安全工作区（RBSOA）和规范其短路容量的短路安全工作区（SCSOA）内。

（3）各种降额因素的考虑(www.xing528.com)

IGBT的基本失效率取决于工作应力（包括电、温度、振动、冲击、频率、速度、碰撞等），除个别低应力失效的IGBT外，其他均表现为工作应力越高，失效率越高的特性。为了使IGBT的失效率降低，所以在电路设计时要进行降额设计。其降额程度除考虑可靠性外还需考虑体积、重量、成本等因素。不同的IGBT降额标准亦不同，实践表明，大部分IGBT的基本失效率取决于电应力和温度，因而降额也主要是控制这两种应力，功率开关管电压降额系数在0.6以下，电流降额系数在0.5以下。

由于IGBT的实际工作条件同手册中给出指标的测试条件是不同的，因此，实际使用中IGBT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IGBT降额的最主要因素是温度，而降额最明显的指标是IGBT的电流容量。如果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，IGBT工作中管芯的温度（结温）不能超过允许值，IGBT结温的允许值与管芯材料和工艺有关。IGBT使用手册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IGBT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。

在实际的设计中，应该计算出IGBT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，然后根据估算IGBT的发热功率和最高环境温度时IGBT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IGBT容量放大，才能最终决定IGBT的参数。考虑到工作时的电压、电流的冲击，IGBT的参数选择应留有充足的裕量。另外，还要考虑IGBT生产厂商有关的生产规格。对于软开关变换器中的IGBT选择包括以下两个部分：

1）软开关变换器中的三相逆变桥电路的主开关IGBT（S1～S6）。相对于传统的硬开关技术变换器来说，在零电压过渡软开关技术变换器中主IGBT工作过程中的最大改变就是在零电压条件下开通，由于在硬开关技术的三相逆变桥电路中，有吸收电路的存在，所以，主IGBT的关断过程两者是一样的。另外，主IGBT的稳态损耗两者也是一样的。对主IGBT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，50kV·A（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IGBT（S1～S6）的额定参数为1200V，300A。

2）辅助谐振回路中的辅助IGBT（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IGBT（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其峰值电流的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i_srm可以表示为

式中，I_x为预置电流；I_m为相电流最大值。。

在一个主开关的开关周期内，辅助开关中通过的平均电流i_sr为

i_sr=I_xT_sr/2T_s （6-2）

式中，T_sr为辅助谐振回路的谐振周期；T_s为主开关器件的开关周期。

通过有关参数设计选择，可以使得辅助开关中通过的平均电流满足：

i_sr=I_m×5% （6-3）

根据变换器的容量选择吸收（谐振）电容及谐振电感，可以得出I_x约为180A，I_rm大约为80A，则辅助开关中通过的最大电流I_srm约为260A，所以，选择辅助开关Sr1～Sr6的额定参数可以为1200V，300A。

（4）IGBT安全工作条件

1）由于IGBT的V_ce（sat）和短路耐量之间的折衷关系，应将栅极电压选为+V_G=（15±10%）V，-V_G=5～10V。栅极电阻与IGBT的开通和关断特性密切相关，R_G小时开关损耗减少，开关时间减少，关断脉冲电压增加；应根据浪涌电压和开关损耗间最佳折衷（与频率有关）选择合适的R_G值，一般选为10～27Ω之间。为防止栅极开路，靠近栅极与发射极间并联20～30kΩ电阻。

2）IGBT使用在高频时布线的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、栅极过电压及欠电压保护、安全工作区、过热保护。

3）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。

（5）功率周期寿命

IGBT的功率周期寿命，分为ΔT_j功率周期和ΔT_c功率周期。在ΔT_j功率周期中，通过能使结温在较短的时间周期内上升、下降的动作，来显示铝导线以及硅芯片下锡焊部位的寿命。IGBT制造商通过对热应力的分析，找出锡焊连接部位发生的变形，通过ΔT_j的不同来进行破坏机制的分析，致力于产品的长寿命化。当ΔT_j在100℃以上时，由于硅芯片和铝导线的膨胀系数的差异产生剪切应力，于是由连接界面产生龟裂形成的破坏是主要的。当ΔT_j在80℃时以下，由于硅芯片和绝缘基板的线膨胀系数的差异产生剪切应变，于是锡焊连接部发生龟裂，这种龟裂发展成为连接部位温度上升形成破坏的现象是主要的。

一般条件下，由于使用在ΔT_j为80℃时以下比较低的温度区域，为了提高功率周期寿命，锡焊部位的长寿命化变得很重要。IGBT制造商新开发了具有优秀的机械特性和浸湿性的SnAg系无铅焊锡，达到了功率周期的长寿命化的目的。对于实际装置的寿命设计，应对被使用装置的运转状态下的ΔT_j进行计算，确认其次数远远超出产品的寿命。比如说，对电动机频繁加速、停止的装置，加速时最大结温T_j与停止时结温T_j的差即ΔT_j。根据此时的ΔT_j中得出功率周期寿命，确认该功率周期寿命远远超出实际产品中需要进行的加减速次数。另外，在0.5Hz等低速运行的驱动系统中，求出0.5Hz时的ΔT_j，从该ΔT_j中得出功率周期寿命。应确认该功率周期寿命比产品寿命长。同时，在驱动系统中，加减速运行与低速运行混合发生时，得出各种运行模式下的ΔT_j，确认从各个ΔT_j中得出的功率周期寿命均长于产品的使用寿命。