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IGBT的电流是如何定义的

IGBT的电流是器件基本参数之一,显而易见FS450R12KE4就是450A 1200V IGBT模块。这样的理解对于日常工作交流来说是足够了,但对于一位设计工程师是远远不够的,而且业内充满着误解和流言。

流言一


450A IGBT模块最大输出电流能力是450A,系统设计中需要留足够的余量


450A是FS450R12KE4的标称电流。那么什么是标称电流?为了搞清楚这一问题最好的办法是寻根问祖,从英飞凌芯片的数据手册发掘线索。


找到FS450R12KE4内部IGBT芯片IGC142T120T8RM的数据手册,奇怪的是芯片型号上没有电流信息,142并不是芯片电流,而是芯片的面积,其单位是平方毫米。而且数据手册中也没有给出芯片集电极直流电流,数值留白,注释中说明,该值受最大虚拟结温Tvjmax限制,并取决于装配的热性能,装配包括IGBT产品封装和系统热设计。


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表1:TRENCHSTOP™ IGBT4 IGC142T120T8RM数据手册截图


虽然芯片数据手册首页上确实给出了Icn=150A,但明确说明这是应用案例FS450R12KE4 EconoPACK™+模块,在TC=100°C时,封装在这一功率模块中,此时芯片的标称集电极电流。


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表2:TRENCHSTOP™ IGBT4 IGC142T120T8RM数据手册截图


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数据手册中的注释


由此我们可以得出结论:


结论一:IGBT芯片的集电极直流电流取决于散热,最高虚拟结温不要超过Tvjmax限制。


基于结论一,我们应该去研究模块的数据手册,在模块的数据手册上可以读到,连续集电极直流电流与壳温有关,准确说连续集电极直流电流是在给定的壳温下定义的,这可以猜想这一电流与直流下的损耗、结到壳的热阻有关。


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表3:FS450R12KE4 EconoPACK™+模块数据手册截图


定义:


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按照FS450R12KE4数据手册,研究一下:


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这样算出来只有160oC,你可能会想不是说好按照175oC定义的吗?这样连续集电极直流电流不是可以更大?不完全对,这里还需要考虑其它因素。


流言二


450A IGBT模块峰值电流能力是450A,输出有效值电流远小于450A


这就要研究IGBT的脉冲电流能力,我们还是从芯片出发。在表1,IGBT4 IGC142T120T8RM数据手册中可以找到集电极脉冲电流450A,但脉冲宽度受限于最高虚拟结温Tvjmax,这里有个说明,这是设计值并通过了设计验证,生产中不作测试。这是因为芯片没有散热系统因而无法测试芯片的电流能力。


再看模块,表3,FS450R12KE4 EconoPACK™+模块数据手册截图,其中明确给出了集电极重复峰值电流ICRM=900A,2倍于模块100度管壳温度下的连续集电极直流电流,即标称电流450A。


同时在图表中给出了反偏安全工作区RBSOA,这代表IGBT关断电流能力,就是说英飞凌的IGBT模块可以可靠关断2倍于自己的标称电流,这一重要参数在出厂检验中100%测试。


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结论二:450A IGBT模块在散热足够好的设计中,可以承受一定脉冲宽度的900A重复峰值电流,并可靠关断,设计原则最高工作结温不超过150℃。


流言三


在系统设计中,超过器件标称电流,可靠性降低,只能过载时偶尔为之。


我们来看一个反例:家用单端电磁炉采用准谐振电路。


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图1:电磁炉原理图


2200W电磁炉一般采用20A IGBT,譬如IHW20N120R5逆导型IGBT单管。从表4中看出:其集电极直流电流在管壳温度100度时为20A,集电极脉冲电流为60A,这一单管的集电极脉冲电流和RBSOA为标称电流的3倍。


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表4:IHW20N120R5逆导型IGBT单管数据手册截图


由于准谐振电路,IGBT开通时电压很低,但由于谐振电容,脉冲电流很大,将近50A,这时有相当高的开通和导通损耗;关断时是零电压,虽然关断电流高达60A,已经达到RBSOA的极限,但关断损耗并不大。


实际案例系统以23kHz的谐振频率工作,就是说20A IGBT 以23kHz的频率连续关断60A电流,条件是损耗合理,散热足够好,保证结温不超过允许的最高工作结温150度。


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图2:电磁炉准谐振电流电压波形,电流红色20A/div,电压200V/div


关于IGBT模块的结论:


英飞凌IGBT模块型号上是标称电流,是基于一定的壳温计算得到的集电极直流电流,与实际IGBT开关输出电流并不是一个概念。


系统设计原则一:IGBT的最高工作结温不允许超过最高工作结温。


系统设计原则二:IGBT最大电流取决于脉冲电流能力和反偏安全工作区,也就是IGBT关断电流能力,一般是两倍的标称电流,设计中关断电流不能超过反偏安全工作区,那么系统设计是安全可靠的。


来源:英飞凌工业半导体






THE END
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