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1、IGBT的选型要求、设计理念及在风能中的应用 热3已有 125 次阅读2011-09-28 12:09 要做高功率设计,需要选择合适的IGBT,并在此基础上合理设计和应用IGBT 。 本文从介绍 IGBT选型的四大基本要求及三大设计理念入手,再辅以 IGBT在风能 中的应用案例, 旨在帮助工程师正确选择合适的IGBT,并合理设计和应用 IGBT, 从而实现高功率密度的设计。 本文整理自 第七届新型节能设计技术研讨会,更详细的内容请浏览: http:/ 1 IGBT 选型的四个基本要求 做高功率设计时, IGBT的选型要考虑到四个基本要求,一个就是明确知道IGBT 的安全工作区,只要在安全工作区
2、之内,怎么应用IGBT都可以;第二个是在热 设计上的限制,还有结构上面、可靠性上面。 1.1 安全工作区 在安全上面,主要指的就是电的特性, 除了常规的变压电流以外, 还有 RBSOA(反 向偏置安全工作区) 和短路时候的保护。 这个是开通和关断时候的波形,这个是 相关的开通和关断时候的定义。我们做设计的时候, 结温的要求, 比如长期工作 必须保证温度在安全结温之内, 做到这个保证的前提是需要把这个模块相关的应 用参数提供出来。这样结合这个参数以后,结合选择的IGBT的芯片,还有封装 和电流,来计算产品的功耗和结温,是否满足安全结温的需求。 1.2 热限制 热限制就是我们脉冲功率, 时间比较短
3、, 它可能不是一个长期的工作点,可能突 然增加,这个时候就涉及到另外一个指标,动态热阻,我们叫做热阻抗。这个波 动量会直接影响到IGBT的可靠性,就是寿命问题。 你可以看到 50 赫兹波动量非 常 小,这个寿命才长。 1.3 封装要求 封装要求主要体现在外部封装材料上面,像我们现在这种封装形式,这个是 ECONO DUAL3的例子,主要是描述材料在污染情况下, 是否能够满足一些要求。 在结构上面, 其实也会和封装相关, 因为设计的时候会布局和结构的问题,不同 的设计它的差异性很大。 1.4 可靠性要求 可靠性问题, 刚才说到结温波动, 其中最担心就是结温波动以后,会影响到这个 绑定线和硅片之间
4、的焊接, 时间久了,这两种材料本身之间的热抗系数都有差异, 所以在结温波动情况下, 长时间下来, 如果工艺不好的话, 就会出现裂痕甚至断 裂,这样就会影响保护压降,进一步导致IGBT失效。第二个就是热循环,主要 体现在硅片和 DCB这个材料之间, 他们之间的差异性。 如果失效了以后, 就分层 了,材料与材料之间特性不一样,就变成这样情况的东西,这个失效很明显。另 一个在我们一般的应用中体现不到,就是宇宙射线的问题, 这个宇宙射线对 IGBT 器件也是很重要的影响,尤其是在高海拔,我们一般都要做防宇宙射线的防护, 在 IGBT安全运营里面,我们需要强调两倍的电流关断能力,这是规格数上给的 BSO
5、 的曲线,建议客户不要超过时限所规定的范围之内,你就可以保证这个产品 的安全。那这个虚线代表芯片的特性,时限代表端子, 所以模块内部要采用叠层 模块的形式,就是要缩短这一部分压降。 2 IGBT 的三大设计理念 2.1 IGBT 的安全工作区设计要求 另外,在我们的选型过程中,我们的阻断电压,它这个1700V或者我们 1200V 或者其他电压等级, 这个电压量一般不允许超过,一旦超过就引起失效, 对于电 流来说,与热还是相关的,所以会直接损害IGBT 。那另外就是我们关断的时候 要知道关断的特性,像第三代、第四代IGBT,对关断影响相对较小,如果说你 要想很好的去影响关断特性,一定要采用大的关
6、断电阻,我们IGBT主要特性在 关断上,开通是二极管限制了开通特性。 另外就是二极管,二极管部分,还有脉冲电流的问题,它也是两倍的问题,另外 谈到二极管,它在工作中,如果IGBT开通太快,反向二极管如果没有恢复好的 话,有可能超出了二极管的安全工作区,就可能会使二极管失效。 这个是一般规 格数上,大功率都会给出二极管的SOA ,这个是电流和电压呈现的瞬时功率。 另外一个比较重要的就是短路,其实短路在我们实际的系统中是经常会发生的, 而且短路的模式主要是这两种,一种是短路一、一种是短路二,一种是硬短路, 一种是软短路,这个是IGBT开通以后的,这个是没有开通发生的短路。一般规 格书上给出的数据是
7、短路一给出的,就是硬短路给出的。 短路的定义里面,我们是这样的时间来定义。我们必须要严格控制这个IGBT在 短路十秒之内要关断短路过程。一旦超过10 秒以后,有可能就被热死掉。它对 于 VGE 的电压量非常敏感, 一般我们给出 15V,当 VGE 是 17V的时候,就会缩小。 所以我们一定要钳制在15V,这样才有时间来保护IGBT。无外乎这两种方式。 这 些都会有效的帮助你在IGBT发生短路以后,有限制短路电流,另外可以加入一 些小的电容,对短路时候的电流是有帮助的。 另外对于我们谈到的RBSOA 里面, 这个是模块内部优化的特性, 同样是我们 1400A 的,这个是 1000A 的,在 20
8、00A的时候这个压降是700 多 V,虽然模块内部的集 成电感不一样,所以它的压降下降小一些。 我们如何提高我们这个产品的输入电流呢?它的冷却方式很关键的,这边给出风 冷和水冷的方式, 采用同样的模块, 在一定的工作频率情况下, 如果采用传统的 风冷的方式,大概是0.015 的水平,如果水冷的话,可以提升到0.006 的水平。 这个是大功率的产品,这个是1000A ,这个是 1200A ,这个特性都不完全一样, 下面是具体的数据。 在不同的开关数据情况下, 就会表现出来刚才谈到的这个直 流电压利用率的问题,这边允许电压最大值到这样的水平。 P4和 E3的话,是这样的水平形式。你可以看到在这种大
9、功率的权重里面,本身 集成电压都很大。 2.2 冷却热设计理念 在提高电流密度上面, 如果是不同的模块, 同样是水冷和风冷两种模式,在输入 电流上面,等级也是不一样的。这个是 1400A 的模块的话,在水冷和风冷两个 条件下,是完全不相同的,这个是采用水冷方式,尽管也是低的热阻,相当于外 部散热条件非常好。 在冷却里面, 这是典型的风冷方式, 也可以通过在散热器上 固热管,增加热源向外围扩散的能力,也可以提高散热能力,增加模块的模块。 当然这个是贴在表面上, 还有一种是这样子的方式, 增加散热器的散热能力, 当 然在这些散热里面, 水冷的方式是最好的冷却方式,对于提高功率密度而言。 它 的热阻
10、也非常小,要保证低的热阻。 2.3 可靠性要求 2.3.1 绑定线焊接 对于可靠性,我们的绑定线链接,还有焊接,这是完整的技术上的IGBT的剖析 面,这个是 IGBT的硅片,这个是 DCB ,这个蓝颜色是焊层,这边是我们的绑定 线。还有用在化学腐蚀程度比较高的地方,同样可以看到对产品有很高的损坏。 对于绑定线这种链接, 我们对于我们自己的设计和生产工艺就提出了比较高的要 求,涉及到绑定线的材料、金属表面的形状,绑定线做的形状,绑定线自身链接 质量问题,这些阐述都是生产IGBT 、保护产品一个可靠性方面必须要下的工夫, 另外对于客户来说, 它的应用条件就决定了产品的使用寿命问题。主要影响到温 度
11、和负荷周期,你就会计算到负荷周期情况下的波动,这样就会估算产品寿命。 这个是我们一些经过一定的循环周期以后,它的失效的一些模式, 这个是绑定线 翘起来了,还有金属化,时间久了发生龟裂。还有拐弯的地方、弯曲的地方,很 容易发生断裂。 我们用这种曲线来描述这个产品使用循环能力。另外我们在这个曲线里面, 我们 可以看到,一般结温是我们芯片内部的,同样可以看到在这样结温波动里面, 散热器的问题, 它的波动量和我们底板的波动量是完全不一样的,外围波动非常 小,但是里面波动量非常大。另外标准是5% 的电压,超过 5%的扁平值,我们就 认为它失效。有些供应商可能给出的指标可能不太一样。 2.3.2 焊接层的
12、分层 另外一种就是刚才说到的分层, 表现出来就是焊接层上面, 焊接层的厚度和焊接 层的构成。这个主要是用的焊接材料自身和两个DCB 和硅片之间, 就是铜和硅之 间,膨胀系数也有差异, 在负荷周期的应用条件情况下,它的可能的波动和绝对 值的温度, 都影响到产品的使用寿命。 它主要相关的三个指标, 一个是工艺循环 周期,热循环周期。这个表你可以看到,这个是正常的硅片,我们IGBT芯片硅 片用的材料, 还有工业级用的三样化二铝硅片结合的产品,还有氮化铝, 他们之 间作用的结合材料, 这种材料结合出来的结果, 这个就是我们铜底板和三氧化二 铝在 600 次循环以后,分层就非常明显。这种是增将性的三氧化
13、二铝,1000次 以后有轻微的分层。你可以看到这两种材料之间的热膨胀系数非常靠近。 另外我们衡量热循环周期, 同样也有这样的曲线, 这个代表可温波动量, 这边是 我们的次数,这边是我们定义的条件,这边是工业级的,这种是增强型的,同 样的情况下你可以看到波动情况。 另外,这个是在不同的可能的条件情况下,在 100 度的温度和 200 度的温度的时 候,它的波动量,一定循环周期差距也是比较大。我们失效标准,是热阻的 1.2 倍来判断这个产品是否发生了失效。 3 IGBT 在风能中的典型应用 在两个典型的应用里面, 我今天拿的是风能来做讨论, 一种是直驱,一种是双线, 我们提供四种不同解决方案,我们
14、看到ECONODUAL3,这个产品它的性价比是非 常高的,但是要并联。做这种黑模块的话,单体价格相对高一些,不用并联。所 以方案选择上,要怎么平衡选择的产品。 这些对产品使用寿命和可靠性, 还有对于维护方面都提出了要求。这个是我们典 型的变流器的大小,这个机柜是标准型的,在应用里面,风能的特殊要求里面, 对我们来说,功率密度要提升,要做高一点。对于我们维护的时候很方便,损坏 了以后我们维护它很方便, 也会带来维修成本提升。 另外性价比很高, 也会选择 相对而言比较价格低的IGBT作为方案。一般的话我们推荐对我们来说都是第四 个 IGBT。还有在可靠性上面,推荐第四代IGBT ,它的结温和特性,
15、还有功率循 环周次,和热循环周次都做了提升。 目前我们见得比较多的是这种,很容易到机 柜上面拆下来, 对客户维护来说也很方便, 这是比较典型的变流器。 另外在高海 拔上面,高海拔的话, 刚才讲到了它的空气比较稀薄。另外对我们的产品间歇要 求 不一样,由于空气稀薄以后,如果是风冷的话,可能会降低,水冷的话影响 不是很大。由于我们在高海拔、空气稀薄的情况下,它的间隙要求高了以后,如 果满足不了标准的话,可能我们就要把直流电压降下去,把输入电压降下去, 把对应的功率降下去。另外也谈到了,高海拔要防护宇宙射线。 这是我们举的两个产品,这是 ECONODUAL3的,这个间隙是 10 毫米。另外你可 以通过这样的标准查询, 可以看到在我们通常的系统里面,如果按照 6000V的脉 冲,污染等级按照 3 来处理,最小的这种在2000米的海拔要求下,它是5.5 最 小的间距。 如果海拔比较高的情况下, 你要有这样的修正系数, 这个修正系数给 出了不同的海拔它乘的系数。通过这些标准可以看到,ECONODUAL3而言,可以 满足高海拔需求。 这种应用里面, 可以给出很典型的应用方案。这是在直驱里面 的方案。
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