PDF《第二章 使用注意事项》

第二章 使用注意事项 ? Fuji Electric Co.

, Ltd. All rights reserved. 2-1 MT5F37920 1. 最大结温 Tvj, Tvjop 2-2 2. 短路(过流)保护 2-2 3. 过压保护和安全工作区 2-3 4. 并联连接 2-9 5. 安装指导 2-10 ? Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 2-2 MT5F37920 第7代X系列 IGBT 模块继承了与第五代 U 系列和第六代 V 系列中使用的场截止(FS)技术和沟 槽栅结构.此外,更薄的晶圆和改善后的沟槽结构让模块整体性能得到了提升. 这章内容阐释了如何使用第

7 代X系列 IGBT 模块. 由于第

7 代X系列 IGBT 模块在连续工作时的最大结温 Tvjop 为175℃,因此请确认工作条件,使其 在连续工作时低于此温度.超过此温度使用可能会导致产品寿命缩短,例如功率循环耐量不足. 当短路发生时,IGBT 的集电极电流 IC 会增加.如果 IC 升高到了一个特定值,那么集电极和发射极 之间的电压(VCE)会急速上升.由于此特性,虽然集电极电流在短路期间会被抑制在一个特定的大小, 但因为高电压和大电流同时施加在 IGBT 上,必须尽可能在短时间内解除这种短路状态. 如图 2-1 所示为 650V 和1200V 的X系列模块施加电压 VCC 和短路耐量(短路时间)之间的关系. 请根据实际的工作条件和需求来确定短路检测时间和保护触发时间以防止超出承受能力范围. 3.1 过压保护 由于 IGBT 的开关速度很快, 当IGBT 关断和 IGBT 开通/FWD 反向恢复时会产生很高的 di/dt. 高di/dt 会通过外部连线的杂散电感造成很高的浪涌电压.如果浪涌电压超过了模块的最大电压等级,则会导致 模块的损坏.有几种抑制高浪涌电压的方法,例如增加吸收电路,调整门极电阻 Rg,或者减少主回路电 感. 2.短路(过流)保护 图2-1. X 系列 IGBT 模块的短路能力对电压 VCC 的关系(VGE=15V) (b) 1200V 模块 (a) 650V 模块 1. 最大结温 Tvj, Tvjop 3.过压保护和安全工作区 ? Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 2-3 MT5F37920 如图 2-2 所示为关断和反向恢复的示意图,以及对于浪涌电压的定义.在IGBT 关断的时候集电极和 发射极之间产生的浪涌电压定义为 VCEP .而VAKP 则定义为当 FWD 反向恢复时在二极管阳极和阴极之 间产生的浪涌电压. 浪涌电压特性通过以下两个模块的例子来说明:7MBR100XRA065-50 (650V/100A)X 系列和 7MBR100XNA120-50 (1200V/100A) X 系列. 如图 2-3 所示为当 IGBT 关断时主回路杂散电感 Ls 和浪涌电压 VCEP 关系的一个例子.很明显,浪涌 电压 VCEP 随着杂散电感 Ls 的增大而升高.由于这个关系,主回路的杂散电感必须设计的尽可能的低.富 士推荐使用叠层母排来降低外部杂散电感值. 如图 2-4 所示为印加电压 VCC 与浪涌电压 VAKP 和VCEP 关系的一个例子.我们可以清楚地发现,当升 高VCC 时,VCEP 和VAKP 也会随之升高. (a) 7MBR100XRA065-50 (650V/100A) VCC=300V, IC=100A, RG=27Ω (b) 7MBR100XNA120-50 (1200V/100A) VCC=600V, IC=100A, RG=5.1Ω 图2-3 杂散电感 Ls 与IGBT 关断浪涌电压 VCEP 关系示例 (b) FWD 反向恢复 (a) IGBT 关断 图2-2 浪涌电压波形示意图 ? Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 2-4 MT5F37920 图2-5 分别展示了集电极电流 IC 与浪涌电压 VCEP 的关系和二极管正向导通电流 IF 与 二极管反向恢 复浪涌电压 VAKP 之间的关系.VCEP 随着 IC 的升高而升高.相反,VAKP 则在 IF 值较小时变得更大.当电 流小于额定电流十分之一时 VAKP 达到最大.因此在设计阶段非常有必要评估和考虑实际工作电流引起的 浪涌电压的影响. 图2-6 所示为门极电阻 RG 和反向恢复浪涌电压 VAKP 之间的关系.每一个小图中有两条曲线.其中一 条曲线代表电流为额定 100A;

另一条代表电流为十分之一额定电流等级,即10A 时的情况.需要强调 的是 VAKP 随着 RG 和IF 的减小而增大. (a) 7MBR100XRA065-50 (650V/100A) VCC=300V, IC,IF=100A, RG=27Ω (b) 7MBR100XNA120-50 (1200V/100A) VCC=600V, IC,IF=100A, RG=5.1Ω 图2-4 IGBT 关断和 FWD 反向恢复时电压 VCC 和浪涌电压 VAKP 和VCEP 的关系示例 (a) 7MBR100XRA065-50 (650V/100A) VCC=300V, RG=27Ω (b) 7MBR100XNA120-50 (1200V/100A) VCC=600V, RG=5.1Ω 图2-5 集电极电流 IC 与浪涌电压 VCEP 的关系和二极管正向导通电流 IF 与 二极管反向恢复浪涌电压 VAKP 之间关系示例 ? Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 2-5 MT5F37920 由上可知,IGBT 模块浪涌电压的值根据所使用的驱动条件、主回路杂散电感和开关条件得不同而发生 很大的变化. 除此之外, 外围电路如吸收电路、 电容值和门极驱动能力也会对浪涌电压值产生一定影响. 当使用 IGBT 模块时,请确保使用 IGBT 的各种设备,例如逆变系统,其在所有运行条件下浪涌电压值 均不超过反偏安全工作区(RBSOA) .若浪涌电压超过了保证的 RBSOA 范围,请采取措施如更换门极 电阻,降低杂散电感或增加一个吸收电路.除此之外,为了优化驱动条件,开通和关断可以使用不同阻 值的门极电阻. 3.2 关断时门极电阻对浪涌电压的影响 为了设计适当的过压保护,需要了解门极电阻和浪涌电压之间的关系.图2-7 所示为 X 系列 1200V 模 块的门极电阻 RG 和关断浪涌电压 VCEP 的关系. 请注意第四代 IGBT 模块(S 系列)甚至更老的模块会表现出不同的关系.为了抑制浪涌电压,通常增 加门极电阻是个合适的对策. 现在,因为从第五代(U 系列)开始载流子注入效率已经得到改善,因此 RG 和浪涌电压的关系也发生 了改变. 由于这个变化, 第7代IGBT 模块与较老的世代不同的是, 增加门极电阻可能会导致更高的浪涌电压. 因此,在设计阶段请谨慎选择合适的门极电阻值以匹配 IGBT 模块应用中的实际要求和参数. (a)7MBR100XRA065-50 (650V/100A) VCC=300V, Tvj=25°C (b)7MBR100XNA120-50 (1200V/100A) VCC=600V, Tvj=25°C 图2-6 门极电阻 RG 和反向恢复浪涌电压 VAKP 之间的关系示例. ? Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 2-6 MT5F37920 参考文献 1) Y. Onozawa et al., "Investigation of carrier streaming effect for the low spike fast IGBT turn-off", Proc. ISPSD, pp. 173-176, 2006. 3.3 短路条件下的过压保护 当短路发生时, IGBT 的集电极电流 IC 迅速升高. 这种情况下相比于正常关断过程关断能量很高. 因此, 针对短路条件定义了非重复脉冲条件下额外的 RBSOA(反偏安全工作区) . 如图 2-8 所示为第

7 代X系列 650V 和1200V 模块的 RBSOA (重复脉冲) 和RBSOA (非重复脉冲) . 短路情况下 VCECIC 轨迹曲线必须在 RBSOA(非重复脉冲)范围内直到被关断.除非有特定说明,否则 RBSOA 中的电压 VCE 是从模块主端子处测得的电压. (b) 1200V 模块 图2-8 IGBT 的RBSOA (a)7MBR100XRA065-50 (650V/100A) VCC=300V (b) 7MBR100XNA120-50 (1200V/100A) VCC=600V 图2-7 门极电阻 RG 值和关断浪涌电压 VCEP 的关系示例 (a) 650V 模块 ? Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 2-7 MT5F37920 3.4 FWD 的安全工作区 在设计阶段,FWD 的SOA(安全工作区)――类似于 IGBT 的RBSOA――需要被谨慎考虑.如图 2-9 所示,FWD 的SOA 是被反向恢复时的最大功率(Pmax)所限制的区域.最大功率即电流 IF 和电压 VAK 的乘积.因此,必须要确保 VAK C IF 轨迹曲线一直在 SOA 的范围之内.除非有特定说明,否则 SOA 中 的电压 VAK 是从模块主端子处测得的电压. 如图 2-9 所示为 2MBI600XNE120-50 (600A/1200V) 模块 FWD 的SOA. 在这个例子中 Pmax 为420kW. 如图 2-10(a)所示为反向恢复波形,图2-10(b)所示为 FWD 的SOA 并且包括了由图 2-10(a)所 得的反向恢复波形 VAKCIF 轨迹曲线.图中蓝色的线是使用了吸收电路的 VAKCIF 曲线,曲线在 SOA 范围 内所以不会导致任何问题. 同一图中的红色曲线代表了超过了 FWD 的SOA 的VAKCIF 曲线.因此,使 用这个电路可能会导致 FWD 损坏.所以,一定要采取合适的措施使得轨迹曲线维持在 SOA 的范围内. 例如给 IGBT 使用更大的门极电阻可以达到这个效果. 门极驱动条件的设计和选择,必须使得 VAKCIF 轨迹曲线在所有工作条件下都不会超出 FWD 的SOA 范围. 图2-9 FWD 安全工作区示例 ? Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 2-8 MT5F37920 图2-11 Tvj (1200V/100A) 和IGBT 输出特性的关系 (b) FWD 反向恢复的 VAK-IF 曲线和 SOA (a) FWD 反向恢复波形示例 图2-10 反向恢复波形 和FWD 反向恢复的 VAK-IF 曲线 ? Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 2-9 MT5F37920 IGBT 模块可以并联连接以提高电流能力.本节阐释了 X 系列 IGBT 模块需要并联连接时所要考虑的参 数. 4.1 输出特性的结温依存性和电流不均 输出特性的结温 (Tvj) 依存性显著影响着并联模块的电流不均性. 如图 2-11 所示为第

7 代X系列 IGBT 模块的典型输出特性(VCE(sat)-IC 关系) .图中可以看出 X 系列模块有着正温度关系特性,意味着 Tvj 的升 高会导致更大的 VCE(sat)值.由于有着正温度关系特性,电流不均会被自动调整,这是因为 Tvj 升高时电流 IC 会减小. 因为输出特性图 2-11 具有正温度关系,X 系列模块具有合适的并联特性.根据以往的数据来看,富士 电机从第四代 IGBT(S 系列)开始就实现了正温度关系特性. 4.2 VCE(sat) 偏差和电流不均率 IGBT 并联模块之间的电流分配比率叫做电流不均率 α.这个比率是由 IGBT 自身的 VCE(sat)和输出特性 的温度依存性决定的. 如图 2-12 所示为两个并联 IGBT 模块之间的电流不均率和 VCE(sat)之差 ΔVCE(sat)之间的关系.电流不均 率由式 2-1 所得,其中 IC1 是流过两个并联模块中 VCE(sat)较小的 IGBT 电流值,IC(ave) (=IC1/2+IC2/2)是两并 联模块的平均电流. 如图 2-12 所示,ΔVCE(sat)变大会导致更大的电流不均率 α.因此,模块的并联连接要求模块之间 VCE(sat) 的差异尽可能的小. 式2-1 4. 并联连接 ? Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 2-10 MT5F37920 请参考 WEB 网页(网页链接在下方)并下载相关的 X 系列模块封装的推荐安装指导 Fuji Electric Power Semiconductor - Design Support http://www.fujielectric.com/products/semiconductor/model/igbt/mounting/index.html 5. 安装指导 图2-12 VCE(sat) 和VF 的差异和电流不均率 (1200V)