如何正確理解IGBT模塊規(guī)格書中的主要參數(shù)？

當(dāng)我們在選擇一款IGBT模塊做功率回路設(shè)計(jì)時(shí)，首先都會(huì)問到兩個(gè)最基本的參數(shù)，這個(gè)模塊是多少伏、多少安培的？比如說賽米控的SEMiX453GB12E4p（見圖1），從型號上可以看出這是一個(gè)1200V、450A的半橋模塊。那么這兩個(gè)參數(shù)到底有什么意義？在實(shí)際的逆變器主電路中，這個(gè)模塊能承受多大的母線電壓、多大的負(fù)載電流？和IGBT規(guī)格書上的電壓、電流有什么關(guān)系？還有哪些主要的參數(shù)會(huì)影響逆變器的輸出能力？帶著這些問題，我們一起來看一下IGBT規(guī)格書中的主要參數(shù)。

第一個(gè)問題：IGBT到底能輸出多大電流？

我們先看看規(guī)格書中關(guān)于電流最大值的幾個(gè)參數(shù)。如圖2所示，規(guī)格書一般會(huì)給出ICnom（標(biāo)稱連續(xù)直流電流）、IC（實(shí)際連續(xù)直流電流）、ICRM（可重復(fù)峰值電流）、It（RMS）（端子有效值電流）這幾個(gè)電流參數(shù)。那這幾個(gè)參數(shù)表示什么意思？到底哪個(gè)才真正限制IGBT的最大電流？

圖2 IGBT規(guī)格書中關(guān)于最大電流值的幾個(gè)參數(shù)

下面解釋下這幾個(gè)參數(shù)的定義和對這幾個(gè)參數(shù)的理解。

ICnom （標(biāo)稱連續(xù)直流電流），IGBT型號中的電流值就是以這個(gè)參數(shù)來標(biāo)定的（SEMiX453GB12E4p模塊的ICnom=450A）。但這個(gè)參數(shù)的物理含義并不是很清晰，它是IGBT芯片供應(yīng)商根據(jù)特定的芯片技術(shù)和有效的芯片面積標(biāo)稱的一個(gè)電流標(biāo)稱值。IGBT模塊實(shí)際能夠流過多大電流還要由模塊的封裝材料和技術(shù)來決定，需要通過模塊的散熱能力來評估。

IC （實(shí)際連續(xù)直流電流），這個(gè)值表征的是在既定的散熱條件下，IGBT模塊中的IGBT能夠?qū)嶋H通過的連續(xù)直流電流。這個(gè)值是根據(jù)IGBT在175°C最高結(jié)溫條件下的損耗和熱阻得到的一個(gè)計(jì)算值。但需要指出的是，這個(gè)計(jì)算值只是一個(gè)理論值，主要用來對不同模塊的連續(xù)直流輸出能力做一個(gè)橫向?qū)Ρ龋湓趯?shí)際應(yīng)用中的指導(dǎo)意義并不大。一方面，規(guī)格書中標(biāo)稱的散熱條件在實(shí)際電力電子裝置中是很難達(dá)到的（175°C的最高結(jié)溫下卻要保持80°C甚至25°C的殼溫，這幾乎不太可能）；另一方面，IGBT在絕大多數(shù)的應(yīng)用都工作在開關(guān)狀態(tài)，而非連續(xù)直流導(dǎo)通狀態(tài)。

ICRM（可重復(fù)峰值電流），這個(gè)值是IGBT在工作過程中允許的可重復(fù)峰值電流值（以脈沖電流的形式工作），但前提是要保證IGBT不能超過其最高結(jié)溫。另外，即使IGBT工作在其最大允許的結(jié)溫范圍內(nèi)，IGBT的可重復(fù)峰值電流也不能超過ICRM，超過這個(gè)值IGBT芯片上表面的鋁金屬化層會(huì)受損，導(dǎo)致IGBT芯片提前老化失效。基于芯片供應(yīng)商的參數(shù)，賽米控在其采用IGBT4芯片模塊的規(guī)格書中按照3倍ICnom的標(biāo)準(zhǔn)來標(biāo)定ICRM。盡管從不超過最大結(jié)溫的角度，芯片有能力承受3倍ICnom的脈沖電流，但相關(guān)測試表明，在正常驅(qū)動(dòng)條件下（無分段關(guān)斷、無有源鉗位），如此大的關(guān)斷電流存在IGBT過壓的風(fēng)險(xiǎn)和較熱芯片提前退飽和的風(fēng)險(xiǎn)。因此在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，賽米控仍然建議將關(guān)斷電流控制在2倍ICnom的范圍內(nèi)。

It（RMS）（端子有效值電流），這個(gè)值表征的是在80°C基板溫度、功率端子溫度不超過125°C的條件下，功率端子允許的最大有效值電流。

通過以上對幾個(gè)電流參數(shù)的解釋可以發(fā)現(xiàn)，對于工作在脈沖電流形式下的逆變器，IGBT規(guī)格書中的ICnom、IC的實(shí)際意義并不大，僅可以用來做一些模塊電氣性能的初步對比，而且由于不同IGBT模塊供應(yīng)商在規(guī)格書中對散熱條件的定義不一樣，直接通過ICnom、IC來評價(jià)IGBT的輸出電流能力是很不全面的。但I(xiàn)CRM和It（RMS）有明確的物理現(xiàn)象表征，在設(shè)計(jì)過程中要嚴(yán)格控制最大峰值電流不能超過ICRM值、最大有效值不能超過It（RMS）。以SEMiX453GB12E4p為例，其ICRM值為900A，對應(yīng)正弦電流的有效值為900A/1.414=636A，而由于交流端子最大有效值It（RMS）為600A，所以這個(gè)模塊的理論輸出最大電流能力為600A有效值。

為什么說是理論輸出最大電流值呢？因?yàn)榍懊鎸﹄娏髯畲笾档姆治霾]有考慮IGBT裝置的散熱能力，而是默認(rèn)IGBT的工作結(jié)溫在允許的范圍內(nèi)。那么IGBT允許的最大結(jié)溫是多少？多大的電流能確保IGBT不超過其最高工作結(jié)溫？如何去評估IGBT的結(jié)溫？這就需要用到IGBT規(guī)格書中的一些特征值。

我們先看一下IGBT規(guī)格書中對結(jié)溫的規(guī)定。

Tj （結(jié)溫），這個(gè)參數(shù)指的是IGBT芯片的溫度，規(guī)格書一般會(huì)給出最小值Tj（min） 到最大值Tj （max） 的范圍，比如說-40°C…175°C，也就是說這個(gè)IGBT的最高結(jié)溫為175°C。

這里需要強(qiáng)調(diào)的是，由于IGBT的結(jié)溫很難測量的到或者很難測量的準(zhǔn)，在應(yīng)用中一般都是通過損耗和熱阻/熱阻抗建立熱模型來計(jì)算IGBT的結(jié)溫，這個(gè)計(jì)算值是一個(gè)或幾個(gè)IGBT芯片并聯(lián)后的平均值，并沒有考慮各個(gè)芯片之間溫度的不一致，也沒有考慮單個(gè)芯片溫度分布的不一致，所以在應(yīng)用中要留取至少25°C以上的裕量，一般要求IGBT的工作溫度不超過150°C。

上面已經(jīng)提到，為了要評估IGBT的結(jié)溫，我們需要知道相關(guān)的損耗和熱阻信息，然后再通過合理的熱模型來計(jì)算。這里先通過規(guī)格書解釋一下和損耗、熱阻相關(guān)的一些參數(shù)，見圖3。IGBT的損耗包括導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗，還有可以忽略的阻斷損耗。導(dǎo)通損耗可以通過規(guī)格書中的VCE（sat）（集-射極飽和電壓），VCE0（集-射極初始電壓），rce（集-射極電阻）參數(shù)來計(jì)算；開關(guān)損耗可以通過Eon（開通損耗能量）、Eoff（關(guān)斷損耗能量）參數(shù)來計(jì)算。規(guī)格書中的熱阻包括每個(gè)開關(guān)的Rth（j-c）（結(jié)-外殼熱阻）、Rth（c-s）（外殼-散熱器熱阻），以及每個(gè)模塊的Rth（c-s）（外殼-散熱器熱阻）。

圖3 IGBT規(guī)格書中和損耗、熱阻相關(guān)的特征參數(shù)

我們在工作中發(fā)現(xiàn)很多工程師在評價(jià)不同IGBT供應(yīng)商相同模塊或類似模塊的性能時(shí)，會(huì)直接拿上面提到的這些特征參數(shù)做直接的對比，這里給出一些我們的理解和建議。

VCE（sat）（集-射極飽和電壓），這個(gè)參數(shù)是衡量IGBT導(dǎo)通損耗的重要指標(biāo)。從規(guī)格書中也可以看出，這個(gè)參數(shù)和測試電流（通常都是ICnom，但也有例外）和結(jié)溫有關(guān)，所以在對比該參數(shù)時(shí)，一定要關(guān)注這兩個(gè)測試條件，確保在相同測試條件下的對比。

Eon（開通損耗能量）和Eoff（關(guān)斷損耗能量），這兩個(gè)參數(shù)是衡量IGBT開關(guān)損耗的重要指標(biāo)。從規(guī)格書中也可以看出，這兩個(gè)參數(shù)值是基于特定測試條件的結(jié)果，和供電電壓VCC、測試電流IC、門極開通和關(guān)斷電阻RGon和RG off、開通和關(guān)斷時(shí)電流變化率di/dton和di/dtoff、以及測試裝置DC-link的寄生電感Ls都有關(guān)系。所以，在評估IGBT的開關(guān)損耗時(shí)，不能直接采用規(guī)格書中的Eon和Eoff，要仔細(xì)分析測試條件與實(shí)際應(yīng)用的差異（尤其是寄生電感Ls和門極電阻），很多時(shí)候需要做一定的折算才能進(jìn)行客觀的對比。因此，在實(shí)際應(yīng)用中還是要以雙脈沖測試結(jié)果為準(zhǔn)。

在對比熱阻參數(shù)時(shí)，我們首先要了解各個(gè)廠家對結(jié)、外殼、散熱器溫度測試點(diǎn)位置的定義，否則就不可能做出客觀的對比。通常這些測試點(diǎn)的信息都不會(huì)在規(guī)格書上體現(xiàn)，需要供應(yīng)商提供額外的技術(shù)支持文檔。另外需要說明一下的是，IGBT模塊中的每個(gè)IGBT開關(guān)（強(qiáng)調(diào)的其作為電路的開關(guān)功能）通常都是由一個(gè)或幾個(gè)IGBT芯片并聯(lián)組成，規(guī)格書中的數(shù)據(jù)都是針對于每個(gè)IGBT開關(guān)，而不是單個(gè)IGBT芯片。下面看一下對幾個(gè)熱阻參數(shù)的介紹和理解。

Rth（j-c） per IGBT （每個(gè)IGBT開關(guān)的結(jié)-外殼熱阻），這個(gè)熱阻值描述的是從IGBT芯片到外殼基板的散熱能力，它通常和芯片的尺寸、封裝內(nèi)部的連接材料、絕緣材料以及工藝有關(guān)。

Rth（c-s） per IGBT （每個(gè)IGBT開關(guān)的外殼-散熱器熱阻），這個(gè)熱阻值描述的是每個(gè)IGBT從外殼基板到散熱器的散熱能力，主要和導(dǎo)熱硅脂的厚度、導(dǎo)熱率，以及散熱器表面的平整度、粗糙度有關(guān)。對于SEMiX453GB12E4p，賽米控認(rèn)證了兩種不同形式的導(dǎo)熱材料，一種是導(dǎo)熱硅脂，另一種是相變材料，所以在規(guī)格書中可以看到兩個(gè)不同的Rth（c-s）值。

Rth（c-s） per Module （每個(gè)IGBT模塊的外殼-散熱器熱阻），這個(gè)熱阻值描述的是IGBT模塊作為一個(gè)整體（包括模塊內(nèi)所有的IGBT和二極管產(chǎn)生的損耗熱量）從外殼基板到散熱器的散熱能力，除了和上面提到的導(dǎo)熱硅脂的厚度、導(dǎo)熱率，以及散熱器表面的平整度、粗糙度有關(guān)外，還和模塊內(nèi)部各IGBT和二極管的相對位置產(chǎn)生的熱耦合有關(guān)。關(guān)于該參數(shù)，賽米控規(guī)格書中給出了兩種不同定義的熱阻值Rth（c-s）1和Rth（c-s）2，前者是不包括熱耦合效應(yīng)的理論計(jì)算值；后者是在不同導(dǎo)熱材料下考慮熱耦合效應(yīng)的實(shí)際測量值。

以上我們通過規(guī)格書解釋了和IGBT損耗、熱阻相關(guān)的主要特征參數(shù)。關(guān)于如何通過這些特征參數(shù)計(jì)算IGBT的損耗、如何正確應(yīng)用不同熱阻參數(shù)的話題，我們在以后的文章中會(huì)繼續(xù)分析。

到此，我們可以對“IGBT到底能輸出多大電流”的問題做一個(gè)總結(jié)：

受芯片表面金屬層的限制，IGBT的最大峰值電流不能超過ICRM（IGBT短路情況除外）；

受封裝端子的限制，IGBT的最大有效值電流不能超過It（RMS）；

受芯片結(jié)溫的限制，IGBT的最大有效值電流應(yīng)保證芯片的發(fā)熱不超過其最高工作結(jié)溫。

應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，一般情況下IGBT的輸出電流都不會(huì)受制于1）和2）的限制，通常都是受制于3）芯片結(jié)溫的限制。所以對于一個(gè)給定的IGBT模塊，其散熱的好壞對其電流輸出能力的影響很大。

第二個(gè)問題：IGBT到底能承受多大母線電壓？

回答這個(gè)問題之前，我們先看一下IGBT能承受的最大阻斷電壓。

VCES（集電極-發(fā)射極電壓），這個(gè)值指的是在25°C結(jié)溫下，在漏電流允許的范圍內(nèi)（IC《ICES）能施加在IGBT集電極和發(fā)射極兩端的最大電壓。在測試過程中，必須將門極短路，否則漏電流很容易超出規(guī)值。

圖4 IGBT 關(guān)斷過程中的電壓及其對應(yīng)的波形

如圖4所示，IGBT在關(guān)斷過程中除了要承受直流母線電壓VDC-Link之外，還要承受直流母線雜散電感引起的過電壓LDC-link?di/dt和模塊雜散電感引起的過電壓LModule?di/dt以及續(xù)流二極管的導(dǎo)通電壓VDiode，即有VIGBT=VDC-Link+LDC-link?di/dt+LModule?di/dt+VDiode，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留出5%~10%VECS的安全電壓裕量。在實(shí)際開關(guān)應(yīng)用中，考慮到系統(tǒng)雜散電感產(chǎn)生的過壓問題，最大直流母線電壓一般要控制在VCES電壓值的2/3左右，對于1200V的IGBT，母線電壓最好不要超過800V。

需要指出的是，部分工程師在測試模塊關(guān)斷尖峰電壓時(shí)，直接通過測量模塊直流端子兩端（對應(yīng)圖4中DC+和DC-）的電壓來判斷IGBT阻斷電壓的裕量，實(shí)際上這個(gè)測量的電壓是不包括模塊本身雜散電感產(chǎn)生的過壓。在評估IGBT芯片電壓時(shí)需要在端子測量電壓的基礎(chǔ)上加上IGBT內(nèi)部的過電壓（可以通過模塊雜散電感和電流下降變化率的乘積來計(jì)算）。另外可以通過IGBT C、E極的輔助端子來測量IGBT的電壓值，這個(gè)測量值會(huì)比較接近IGBT芯片的電壓值。

圖5 IGBT阻斷電壓和結(jié)溫的關(guān)系

另外，VCES值是和結(jié)溫相關(guān)的，VCES（Tj）=VCES（25°C）+（1+TC? （Tj-25°C）），溫度系數(shù)TC在0.0008~0.00121/K。根據(jù)此關(guān)系，可以得到不同結(jié)溫條件下IGBT的阻斷電壓值，見圖5。在極寒環(huán)境的應(yīng)用中，要特別注意IGBT的關(guān)斷尖峰電壓不能超過允許的VCES值，因?yàn)殡S著結(jié)溫的降低，IGBT阻斷電壓能力會(huì)下降，同時(shí)IGBT的開關(guān)速度會(huì)變快。

從上面的分析可以看出，IGBT能承受多大的母線電壓和系統(tǒng)回路的雜散電感以及IGBT的關(guān)斷速度即di/dtoff有關(guān)。如要提高直流母線電壓，就必須要減小IGBT的尖峰電壓，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用降低雜散電感的方法，包括采用低雜散電感的電容和疊層母排設(shè)計(jì)；其次可以通過增大門極關(guān)斷電阻RGoff來降低IGBT的關(guān)斷速度，但這樣會(huì)增加IGBT的關(guān)斷損耗。

IGBT其它主要參數(shù)

以上是從“IGBT能輸出多大電流”、“IGBT能承受多大母線電壓”的角度分析了IGBT規(guī)格書中的相關(guān)參數(shù)，更多關(guān)注的是IGBT的性能。當(dāng)然，IGBT還有一些和門極控制以及短路相關(guān)的重要參數(shù)，如圖6所示，這里也做一些解釋和分析。

圖6 IGBT門極電壓和短路時(shí)間

VGES（門極-集電極最大電壓），這個(gè)值是門極和集電極之間允許長時(shí)間施加的最大電壓，一般都為±20V。很多測試表明短時(shí)超過幾伏并不會(huì)損壞IGBT，但門極電壓超過15V后，在短路情況下會(huì)引起較大的短路電流，導(dǎo)致器件超出SCSOA（短路安全工作區(qū)）。在IGBT驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，一般都會(huì)在門極和集電極之間安裝TVS管或者通過二極管將門極電位鉗位在15V的方法來避免門極過壓。

tpsc （最長短路時(shí)間），這個(gè)參數(shù)值規(guī)定IGBT在一定的條件下發(fā)生短路時(shí)允許持續(xù)的最長時(shí)間，不同的IGBT芯片技術(shù)對應(yīng)的的短路時(shí)間不一樣，比如IGBT4的短路時(shí)間是10us；而其前一代IGBT3的短路時(shí)間是6us。

前面提到tpsc這個(gè)值是在一定的條件下定義的，從圖6中的規(guī)格書列表中也可以看出，這個(gè)條件是：1）供電電壓VCC=800V；2）門極電壓VGE≤15V；3）阻斷電壓VCES≤1200V；4）結(jié)溫Tj=150°C。換句話說，在不同于規(guī)格書的工作條件下，tpsc也可以大于或小于10us。實(shí)際上IGBT能承受的短路能量是一定的，即ESC=tpsc?ISC?VCC是一定的。假定在短路時(shí)門極電壓被鉗在15V，此時(shí)IGBT的短路電流約5倍ICnom。那么可計(jì)算出短路能量ESC=10μs×5×450A×800V=18J；如果供電電壓降低20%（即640V），那么短路時(shí)間就可以增加20%（即12us）。從另外一個(gè)角度，如果短路時(shí)門極電壓被抬高至20V，那此時(shí)短路電流就會(huì)超過5×ICnom，短路時(shí)間就一定會(huì)小于10us。

需要注意的是，盡管IGBT允許一定時(shí)間的短路，但每一次的短路都會(huì)加快IGBT的老化，所以一般要求IGBT壽命周期內(nèi)的短路次數(shù)不超過1000次，兩次短路的時(shí)間不小于1秒。

二極管的主要參數(shù)

以上都是以IGBT開關(guān)為對象，解釋并分析了其主要參數(shù)。在半橋IGBT模塊中，IGBT開關(guān)旁邊都會(huì)反并聯(lián)一個(gè)二極管開關(guān)作為續(xù)流二極管。對于二極管的主要參數(shù)可以參照IGBT對應(yīng)參數(shù)的解釋和分析，這里只關(guān)注另外一個(gè)參數(shù)。

IFSM （正向浪涌電流），這個(gè)值是用來定義二極管在50Hz交流半波供電情況下的非連續(xù)最大浪涌電流能力，它是保護(hù)電路中熔斷器選擇的一個(gè)重要指標(biāo)。在二極管的生命周期中，這種最大浪涌電流情況只允許少次發(fā)生，因?yàn)樵谧畲罄擞侩娏飨露O管的結(jié)溫高達(dá)400°C，會(huì)加速二極管的老化。熔斷器選型中的I2t值可以通過IFSM和半波持續(xù)時(shí)間得到，即I2t=I2FSM×0.005s。