PDF《IGBT 应用指南》

IGBT 应用指南 --3300V 系列 中国中车 3300V 系列 IGBT 应用技术指导 I 株洲中车时代电气股份有限公司半导体事业部 目次 1.

引言

1 2. IGBT重要参数

1 2.1 静态参数

1 2.2 动态参数

2 2.2.1 IGBT开通参数.3 2.2.2 IGBT关断参数.4 2.2.3 IGBT内部续流二极管反向恢复参数.4 3. IGBT的反向偏置安全工作区RBSOA(Reverse Bias Safety Operation Area)5 4. IGBT的短路

8 5. IGBT保护

9 5.1 栅极过压保护.9 5.2 过流保护

9 5.3 短路保护

11 6. IGBT储运及安装

11 6.1 储运注意事项.11 6.2 安装方法

11 6.3 导热硅脂涂覆.13 6.4 导热硅脂涂覆实例.15 6.4.1 涂敷步骤.15 6.4.2 安装效果.16 6.5 相关热参数

17 7. 供方地址

18 中国中车 3300V 系列 IGBT 应用技术指导

1 株洲中车时代电气股份有限公司半导体事业部 1. 引言 IGBT(Insulated Gate Bipolar transistor)绝缘栅双极型晶体管是一种大功率半导体电压 型全控型器件,在轨道交通、变频器、直流变换、发电输电等领域都有极为广泛的应用.目前 商业化比较成功的 IGBT 电压等级最高可达到 6500V,可关断电流最大可以达到 3600A.从 理论上讲,由于 IGBT 是电压型器件,只需要对 IGBT 的栅极施加一定幅值的电压,就可以使 IGBT 开通、关断,所以 IGBT 的应用非常方便. 本文件主要介绍中国中车 3300V 电压等级 IGBT 的相关参数和应用基础知识. 以中国中车时代电气公司生产的 TIM1500ESM33 型IGBT 为例介绍中国中车 IGBT 的命 名规则. 2. IGBT 重要参数 2.1 静态参数 T I M

1500 E S M

33 表示时代电气公司 (TEG) 表示 IGBT 表示模块 Module 表示 IGBT 的额定电流 表示模块尺寸类型,E型的基板尺寸为190mm*140mm,更多尺寸类型请见中国中车 IGBT 产品手册) . 表示内部电路结构类型,S 表示单管(Single switch) ,H 表示半桥(Half bridge) ,C 表示斩 波(Chopper) ,D 表示双管(Dual switch) , 更多尺寸类型请见中国中车 IGBT 产品手册) . 该数字的

100 倍表示该 IGBT 的额定电压值. 该字母表示 IGBT 基板使用的材料.M 表示使 用的是碳化硅铝 AlSiC 基板.S 表示使用的是 铜基板. 中国中车 3300V 系列 IGBT 应用技术指导

2 株洲中车时代电气股份有限公司半导体事业部 表1IGBT 静态参数 参数 符号 定义 集电极-发射极漏电流 Ices 栅射极处于短路状态,集射极间外加指定电压 时,集射极间产生的漏电流. 栅极-发射极漏电流 Iges 集射极处于短路状态,栅射极间外加指定电压 时,栅射极间产生的漏电流. 栅极-发射极阈值电压 Vge(th) 集电极与栅极处于短路状态, 集射极间外加指定 电流时,栅射极间的电压. 集电极-发射极通态压 降Vce(on) 在指定的 Vge(一般情况下,Vge=15V)下,集 电极流过额定电流时, 集电极与发射极之间的电 压. 二极管通态压降 Vfd 二极管正方向流过额定的电流时, 正方向上产生 的压降. 输入电容 Cies 集射极处于交流短路状态,栅射极间电压为零 时,栅射极之间的电容. 输出电容 Coes 栅射极处于交流短路状态,集射极之间的电容. 反向传输电容 Cres 集射极处于交流短路状态,栅射极间电压为零 时,集电极与栅极之间的电容. 2.2 动态参数 IGBT 的动态参数是通过如图

1 所示的电路进行的测试.测试方法为双脉冲法,IGBT 经 过两次开通和关断,利用其波形测量其开通参数、关断参数和二极管的反向恢复参数. 图1. IGBT 的动态参数测试电路 中国中车 3300V 系列 IGBT 应用技术指导

3 株洲中车时代电气股份有限公司半导体事业部 2.2.1 IGBT 开通参数 图2. IGBT 开通参数定义 表2IGBT 开通参数 参数 符号 定义 开通延迟时 间td(on) 从驱动电压 Vge 上升到其幅值的 10%开始到集电极电流 Ic 上升到其 幅值的 10%时刻为止,这段时间称 为开通延迟时间. 上升时间 tr 从集电极电流 Ic 上升到其幅值的 10%时刻起到集电极电流 Ic 上升到 其幅值 90%为止,这段时间称为上 升时间. 开通时间 ton 从驱动电压 Vge 上升到其幅值的 10%时刻开始到集电极电流 Ic 上升 到其幅值的 90%时刻为止,这段时 间称为开通时间. 开通能量 Eon 图1中t0-t4 时间内,IGBT 管内所耗 散的能量称为开通量,表达式为: ??? = ?(??(t) * vCE(t)) ?4 ?0 ?? 中国中车 3300V 系列 IGBT 应用技术指导

4 株洲中车时代电气股份有限公司半导体事业部 2.2.2 IGBT 关断参数 图3. IGBT 关断参数定义 表3. IGBT 关断参数定义 参数 符号 定义 关断延迟时 间td(off) 从驱动电压 Vge 下降到其幅值的 90%开始到集电极电流 Ic 下降到其 幅值的 90%时刻为止,这段时间称 为关断延迟时间. 下降时间 tf 从集电极电流 Ic 下降到其幅值的 90%时刻起到集电极电流 Ic 下降到 其幅值 10%为止,这段时间称为下 降时间. 关断时间 toff 从驱动电压 Vge 下降到其幅值的 90%时刻开始到集电极电流 Ic 下降 到其幅值的 10%时刻为止,这段时 间称为关断时间 关断能量 Eoff 在图

2 中t2-t5 时间内,IGBT 内部所 耗散的能量称为关断能量,表达为: ???? = ?(??(t) * vCE(t)) ?5 ?2 ?? 2.2.3 IGBT 内部续流二极管反向恢复参数 中国中车 3300V 系列 IGBT 应用技术指导

5 株洲中车时代电气股份有限公司半导体事业部 图4. 二极管反向恢复参数定义 表4. 二极管反向恢复参数 参数 符号 定义 反向恢复电 流Irr 快速恢复二极管在快速恢复的过程 中, 反向电流的峰值称为反向恢复电 流. 反向恢复时 间trr 在图

3 中, t0 为二极管电流下降为零 的时刻,t1 点为电流上升到 90%Irr 点和 25%Irr 点组成的直线和时间轴 的交点,t0-t1 时间段为反向恢复时 间. 反向恢复电 荷Qrr 在快速恢复二极管反向恢复的时间 内, 反向电流对时间积分称为反向恢 复电荷,如图中阴影所示. 反向恢复能 量Erec 在图

3 中,t0-t2 时间段内.二极管内 部消耗的能量称为反向恢复能量, 表 达式为: ???? = ?[??(t) * vR(t)] ?2 ?0 ?? 3. IGBT 的反向偏置安全工作区 RBSOA(Reverse Bias Safety Operation Area) 中国中车 3300V 系列 IGBT 应用技术指导

6 株洲中车时代电气股份有限公司半导体事业部 IGBT 的安全工作区是指 IGBT 同时承受电流和电压的能力范围.通常 IGBT 的安全工作 区中,电流的最大值为两倍的 IGBT 额定电流,电压的最大值为 IGBT 的额定电压.图5为中 国中车 TIM1500ESM33 型IGBT 的安全工作区

图表. 图5TIM1500ESM33 型IGBT 的安全工作区 在IGBT 封装之前对 IGBT 进行测试,其安全工作区会比封装之后的 IGBT 稍大.因为封 装之前,IGBT 还未安装母排,封装之后,母排带来了额外的杂散电感,会导致 IGBT 关断时 过压升高.所以封装之后的 IGBT 安全工作区会偏小一些.如图 5. 图6是中国中车 TIM1500ESM33 型IGBT 典型的双脉冲电流电压波形. Collector-emitter voltage, VCE -[ V ] Collector current, I C -[ A ]

0 500

1000 1500

2000 2500

3000 3500

0 500

1000 1500

2000 2500

3000 3500 TC=150°C RG(OFF)=1.5Ω CGE=330nF VGE=±15V Chip Module 中国中车 3300V 系列 IGBT 应用技术指导

7 株洲中车时代电气股份有限公司半导体事业部 图6TIM1500ESM33 型IGBT 的双脉冲电流电压波形 图7是由该波形生成的 V/I 曲线图和该型 IGBT 模块的安全工作区. 图7双脉冲波形的 V/I 曲线图和该型 IGBT 模块的安全工作区 从图

7 中可以看到,V/I 曲线图大部分在 IGBT 安全工作区之内(电流最大值稍微超过 T( s) Vce(V) / Ic(A) -2E-5

0 2E-5 4E-5 6E-5 8E-5 0.0001 0.00012 0.00014 0.00016

0 500

1000 1500

2000 2500

3000 3500 Vce(V ) Ic(A ) Vce (V) Ic (A)

0 250

500 750

1000 1250

1500 1750

2000 2250

2500 2750

3000 3250

3500 0

400 800

1200 1600

2000 2400

2800 3200

3600 实际双脉冲测试的V /I轨迹 RBSOA 中国中车 3300V 系列 IGBT 应用技术指导

8 株洲中车时代电气股份有限公司半导体事业部 3000A) .如果 IGBT 工作时其 V/I 曲线超出了安全工作区,那么 IGBT 存在失效的风险. 应用中可以在驱动上增加过流保护或短路保护,限制 IGBT 工作时的最大电流;

同时必须 限制线路的杂散电感,或者使用阻容吸收、有源箝位保护等措施,使IGBT 的关断过电压不超 过安全工作区的范围. 4. IGBT 的短路 通常将 IGBT 的短路分为两类: 一类短路 (又称直通短路) 、 二类短路 (又称大电感短路) . 一类短路是指 IGBT 开通后,电源不经过负载,直接通过 IGBT 放电.这种情况下,由于 IGBT 开通初始状态的阻抗很低,而且整个回路中的电感都很低(100nH~200nH) ,电源相当 于两端被短接,IGBT 中会产生极高的电流上升率(di/dt) ,电流迅速上升至数千安培,而这个 时候 IGBT 的栅极电压还比较低,从IGBT 的通态输出特性曲线中可以看出,IGBT 的通态电 压Vce(on)也会变得很高.此时,IGBT 的工作状态不是处于低通态压降的饱和区,而是退出了 饱和区,进入了放大区.IGBT 的这种工作状态称为退饱和(Desaturation) . 图8IGBT 的一类短路波形 在一类短路发生时,Vce 在IGBT 开通时短暂地降低了一些,然后又迅速提高,甚至可以 达到与断态时的电压一致.此时 IGBT 的等效通态电阻也会提高,同时栅极电压也达到了最大 值,这些因素抑制了 IGBT 短路电流的继续增长.由于整个短路期间 IGBT 的功耗非常大,会 导致 IGBT 的芯片温度上升,所以 IGBT 的一类短路承受时间一般不超过 10us. 二类短路是指通过 IGBT 开通后,其电流逐渐上升到数倍 IGBT 的额定电流,导致 IGBT T (s) Vce(V) / Ic(A)

0 5E-6 1E-5 1.5E-5 2E-5 2.5E-5 3E-5 3.5E-5 4E-5 -2000 -20

0 -10

2000 0

4000 10

6000 20 Vce Isc 中国中车 3300V 系列 IGBT 应用技术指导

9 株洲中车时代电气股份有限公司半导体事业部 进入放大区. 这类短路发生的原因通常是在回路的负载端发生了相间短路或相对地短路, 如变 频器的输出相线之间,或者是负载的相线之间发生短路. 图9IGBT 的二类短路波形 IGBT 开通后,由于回路中还有一部分电感,所以二类短路的电流的上升率比一类短路的 电流上升率低, 但还是高于正常值. 可能很短的时间就会由正常的饱和区工作状态退入放大区. 另一个值得注意的地方是,负载端的短路点不同,会导致回路残留的电感不同,二类短路 的电流上升率也不会是固定的,需要根据工况具体分析. 不管是一类短路还是二类短路,对IGBT 都是有害的,如果不及时将 IGBT 关断,使短路 的时间过长,短路电流过大,都有可能造成 IGBT 关断失效.而且由于短路允许持续的时间很 短,系统级别通过熔断器、电流传感器等手段来不及进行保护.所以,一般在驱动上对 IGBT 进行短路甚至是过流保护. 5. IGBT 保护 5.1 栅极过压保护 IGBT 的栅极耐压很低,在应用中,为防止栅极电压发生抖动,超过耐压值,导致栅极被 击穿, 可以增加栅极限压电路, 如两只稳压管共阴极连接, 然后将其接在栅极和发射极之间. 5.2 过流保护 中国中车 3300V 系列 IGBT 应用技术指导

10 株洲中车时代电气股份有限公司半导体事业部 IGBT 的过流指的是通过 IGBT 的电流超过了 IGBT 的额定电流,但远低于 IGBT 的短路 电流. 两者相似之处在于, 过流和短路都会导致 IGBT 的通态 Vce(on)变大. 过流如果发生在 IGBT 的饱和区,那么通态的 Vce(on)可能只在 20V 以下;

如果过流发生在 IGBT 的放大区,那么通态 的Vce(on)可能达到数百伏. 某些应用中,如大功率牵引电机启动时,牵引变流器中的 IGBT 会出现短暂过流情况.设 计变流器系统时可以考........