【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)稱電流。那么什么是標(biāo)稱電流？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)。
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)稱集電極電流。
表2：TRENCHSTOP? IGBT4 IGC142T120T8RM數(shù)據(jù)手冊(cè)截圖
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)。
表3：FS450R12KE4 EconoPACK?+模塊數(shù)據(jù)手冊(cè)截圖
定義：
按照FS450R12KE4數(shù)據(jù)手冊(cè)，研究一下：
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)稱電流，這一重要參數(shù)在出廠檢驗(yàn)中100%測(cè)試。
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。
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)稱電流的3倍。
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。
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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