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基于.XT技术进行IGBT组件设计有哪些需要考虑的方面?

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时间 : 2018-09-26 20:01 浏览量 : 22

基于.XT技术进行IGBT组件设计有哪些需要考虑的方面?


随着变流器广泛应用于风力发电、太阳能、电动汽车和轨道牵引等领域中,目前越来越多的变流器研究着眼于高功率密度、高可靠性设计。IGBT结合了单极性晶体管和功率MOSFET的优点,具有高输入阻抗、低损耗等特点,它作为电力变换的重要元件,其功率密度直接决定变流器的功率密度以及体积密度,因此其发展方向会直接影响变流器的设计。

自IGBT被广泛应用到电力电子变换装置以来,IGBT芯片的发展先后经历了穿通(PT)、非穿通(NPT)、场终止(FS)和沟槽栅(Trench)等几次技术革新,目前已经发展到了沟槽栅的第五代;其芯片最高工作温度也从125℃增加到现在的175℃,芯片厚度从原来的220μm减小到现在的小于100μm,功率密度从0.46kW/cm2增加到1.31 kW/cm2,增加了近3倍。饱和压降、关断损耗以及安全工作区三者的折衷关系的改进是功率半导体发展的目标,在此基础上追求更高的允许运行结温、更高的功率密度、更高的可靠性是功率半导体发展的趋势。

本文在介绍英飞凌公司最新第五代IGBT芯片(以下简称IGBT5)的基础上,重点描述了高功率变流器设计中遇到的损耗计算、热设计,以及负载测试等问题。

  • 基于。XT 技术的第五代IGBT

基于。XT技术的第五代芯片IGBT5是在原有沟槽栅技术基础上开发的新一代IGBT,为减小动静态损耗,新一代IGBT芯片进一步减小了厚度;为降低芯片表面温度并确保可以通过10μs的短路测试,芯片发射极表面覆铜(图1);通过采用铜绑定线以及先进的焊接手段,带有IGBT5 芯片的模块可以在175℃下运行。

图1:英飞凌第五代IGBT芯片剖视图

由于IGBT5较第四代IGBT而言(以下简称IGBT4)芯片更薄,因此在相同的电流条件下,其饱和压降更低,这意味着其通态损耗也更小;双脉冲实验表明,在相同条件下IGBT5的脉冲损耗也较小。

图2是在双脉冲试验台上测试得到IGBT4/1400A和IGBT5/1800A的开通电阻与开通损耗的关系曲线,从图中可以看出在相同温度以及门极电阻条件下,IGBT5 单位电流的损耗比IGBT4要小。

图2:不同开通电阻下IGBT开通脉冲损耗

  • IGBT模块损耗计算以及温度仿真

带有 。XT技术的IGBT5比较适合大功率应用场合,且通常采用并联方式。 表2 为使用IPOSIM仿真软件在开关频率为2。5 kHz,输出频率为50 Hz,风冷散热,直流电压1 050 V,环境温度30 ℃条件下(因为本文的测试散热器进口温度为30℃,客户实际应用的需求一般为45℃),计算2只IGBT并联后输出电流的能力。从仿真结果(图3)可以看出,在输入参数相同的条件下,相同封装的IGBT5 1800A模块的输出电流能力比IGBT4 1400A模块高30%左右,从而提高了变频器的功率密度。

图3(a):采用FF1400R17IP4 IGBT
图3(b):采用FF1800R17IP5 IGBT

  • 热设计

变流器的热设计涉及到如何通过散热器以及冷却系统的设计把IGBT功率损耗通过导热硅脂、散热器导出,以确保功率半导体处于安全的工作范围内。散热器稳态热阻测试是重要的一个环节,比较专业的动态热阻测试需要用到热结构函数,在工程中也可以采用JESD51-14介绍的方法测试其稳态热阻,以便于稳态热仿真。散热器的稳态热阻一般可以表达为

R_{th},H-a=(T_{H}-T_{in}/)P_{igbt}........(1)

T_{H} ——散热器温度; T_{in} ——散热器入口温度; P_{igbt} ——IGBT的功率损耗。

测试中,用直流电源给IGBT芯片加热,通过测量IGBT的压降以及电流计算出其损耗,通过J型热电偶以及数据采集系统得到温度测试值。测试条件为: 散热器风速10m/s;导热硅脂采用PTM7000,其厚度为60μm;在不同功率条件下仅仅加热IGBT芯片,分别测试散热器输入输出温度、IGBT芯片正下方散热器温度,同时用红外相机测试表面涂黑的IGBT芯片温度。根据式(1)得到不同功率条件下的热阻值,考虑到测试误差,取为0。071 K/W。

  • 组件负载测试

负载测试平台为三相结构,其中,每2支IGBT5模块FF1800R17IP5并联作为一相放在一个尺寸为360 x 300 mm 的风冷散热器上,模块以及散热器风道均沿散热器长度方向布置(图4(a))。每个散热器采用一个单独的离心风机;直流回路采用18支膜直流电容与IGBT的直流端子相联;采用三相对称电感负载,电感值450 μH。驱动采用2ED300C17芯片,一个驱动核驱动2支IGBT,IGBT适配板上有推挽三极管,以放大驱动能力并确保驱动信号的一致性。散热器平均风速为10 m/s,直流电压1 000 V,测试开关频率选择为2.5 kHz,输出频率50 Hz。三相测试组件如图4所示。

图4(a):组件结构布局
图4(b):测试平台

在负载测试过程中,为监控散热器温度,在每个散热器出风口附近IGBT芯片正下方的位置开了直径2 mm的小孔用于安装J型测温热电偶,如图5中1-6所示,其左侧为散热器布局图,右侧为IGBT/二极管芯片布局图,蓝色箭头为冷却空气流向。图6为采用IGBT5 时不同位置的散热器温度与输出电流的关系曲线。试验结果表明,位置3和位置6的温度比另外4个位置要高,可能的原因是位置3和位置6处于散热器的中央,散热条件相对比较差,这也意味着散热器设计边缘留有余量会有助于降低IGBT芯片温度。进口温度一定时,在测试范围内,散热器的温度几乎随电流呈线性变化(但图6中以850 A为界前后斜率稍有不同,可能的原因是测量带来的误差)。

图5:散热器开孔(左)以及对应IGBT芯片布局图(右)
图6:散热器温度与电流的关系曲线(入口空气温度29℃)

观测IGBT结温最直接的方法是在IGBT芯片上贴一个热点偶,但是考虑到绝缘等问题,在实际测试中较少使用。本文中取3个位置的平均值作为表征散热器温度的特征变量,对两种不同IGBT的测试结果如图6所示。从图6中可以看出,在本文的测试条件下,IGBT4电流为800 A时,散热器特征温度为118℃,而在该电流下IGBT5的对应温度约为84℃;在电流为1 050 A时,IGBT5 对应的散热器温度为120℃。根据以上仿真结果可以计算IGBT损耗,进而通过公式(2)计算得到该测试条件下的平均结温。

T_{i}=T_{h}+P_{igbt}*R_{thjc}+R_{thch}........(2)

R_{thjc} ——结壳热阻; R_{thch} ——壳到散热器热阻。

在变频器热设计中,模块自带的NTC(热敏电阻)可以作为温度输入,但是在设计中需要建立相应的热模型,其中一种方法是通过测试得到不同输出电流时NTC与仿真结温的关系。图7为模块芯片平均温度与其NTC所示温度之间的关系曲线,从图中可以看出,本文中两种模块的芯片结温与NTC温度显示出高度的线性关系,由此可以通过数据拟合的方式得到两者之间的方程。这一试验结果为变频器的热设计和热保护提供了一种适合于工程应用的经验。

图7:IGBT芯片平均结温计算值与模块NTC温度显示值的关系曲线

  • 结论

本文描述了基于。XT 的第五代IGBT特点,通过仿真计算比较了IGBT4 和IGBT5 的损耗和结温,通过负载试验测试了组件的主要电气参数以及温度。仿真及试验结果都表明IGBT5 FF1800R17IP5 模块的输出电流能力比IGB4 FF1400R17IP4高30%左右; 另外IGBT芯片结温与模块NTC显示温度存在高度的线性关系。本文的试验结果为客户设计高功率变频器提供了新的模块解决方案,为变频器热设计以及热保护提供了新的工程解决方法。

为进一步提高IGBT5的输出电流能力,下一步考虑用毛细热管散热器进一步减小散热器热阻同时考虑在IGBT芯片上贴热电偶以便更准确地测到IGBT芯片温度结温。(英飞凌igbt厂家


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