1、電壓規(guī)格

??器件上所承受的電壓要小于器件的額定電壓

2、電流規(guī)格

??一般使用的ICmax≦IC(nom)*70%

3、電路結(jié)構(gòu)

??由電氣方案決定電路結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的模塊以符合電路結(jié)構(gòu)

4、封裝

??需要考慮安裝方式、散熱性能等

5、芯片

??芯片決定了通態(tài)壓降、開關(guān)速度、溫度系數(shù)

??富士：U4，V4 ; 英飛凌：E3，E4，P4，S4

6、其他

A、通態(tài)壓降和耐壓的關(guān)系;

??通態(tài)壓降和開關(guān)速度的關(guān)系;

??通態(tài)壓降和短路電流能力的關(guān)系

B、兼容性

C、商務(wù)等

?第二部分保護(hù)電路設(shè)計(jì)

IGBT模塊可能由于過電流、過電壓這類異常情況而受損，因此，在IGBT 模塊的運(yùn)用中,設(shè)計(jì)能夠避免這種異常情況，從而保護(hù)元件的保護(hù)電路顯得尤為重要。

??保護(hù)類別也可分為：過壓、過流、過熱、短路等

1、過流保護(hù)：

??措施是采用電流檢測電阻/傳感器，具體實(shí)施方案與電路有關(guān)。

2、過熱保護(hù)：

??采用溫度繼電器、NTC溫度檢測電阻/隔離放大器。

3、驅(qū)動(dòng)欠壓保護(hù)

4、短路保護(hù)：

??通過驅(qū)動(dòng)電路監(jiān)測CE端電壓。

(1)短路模式

(2)短路(過電流)的檢測方法：

A、通過過電流檢測器檢測：

??為實(shí)現(xiàn)對IGBT的快速響應(yīng)保護(hù)，將從檢測出過電流到完

??成關(guān)斷為止各電路的動(dòng)作延遲時(shí)間設(shè)置為。

(2)短路(過電流)的檢測方法：

B、通過Vce(SAT)檢測：

??由于從檢測出過電流到保護(hù)動(dòng)作都在驅(qū)動(dòng)側(cè)進(jìn)行，能夠做

??到速的動(dòng)作。下圖為Vce(SAT)檢測保護(hù)電路的實(shí)例。

5、過電壓保護(hù)

(1)VGE過壓

??產(chǎn)生原因：驅(qū)動(dòng)電路故障、驅(qū)動(dòng)線路不良、外部串?dāng)_、靜電等

??抑制方法：優(yōu)化驅(qū)動(dòng)走線、驅(qū)動(dòng)電路等;加GE過壓保護(hù)器件

IGBT模塊的VGE保證值一般為±20V。IGBT門極對靜電非常敏感，請注意：

(1)使用模塊時(shí)，先讓人體和衣服上所帶的靜電通過高電阻(1MΩ左右)接地線放電后，再在接地的導(dǎo)電性墊板上進(jìn)行操作。

(2)使用IGBT模塊時(shí)，要拿封裝主體，不要直接接觸端子(特別是控制端子)部分。

(3)對IGBT端子進(jìn)行錫焊作業(yè)時(shí)，為了避免由烙鐵、烙鐵焊臺(tái)的泄漏產(chǎn)生的靜電加到IGBT上，烙鐵前端等要用十分低的電阻接地。

(2)VCE過壓產(chǎn)生原因

??由于IGBT的開關(guān)速度很快，IGBT關(guān)斷時(shí)，或FWD反向恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生很高的di/dt,由模塊周邊的雜散電感引發(fā)L*(di/dt)電壓(關(guān)斷浪涌電壓)。

(3)過電壓的抑制方法

A.在IGBT中加入緩沖電路，吸收浪涌電壓。緩沖電路電容采用薄膜

??電容，并配置在IGBT附近，使其吸收高頻浪涌電壓。

B.調(diào)整IGBT的驅(qū)動(dòng)電阻的-Vge和Rg,減小di/dt。

C.盡量將電解電容配置在IGBT的附近，減小雜散電感，使用低阻抗的電容效果更佳。

D.主電路和緩沖電路配線要更短，更粗，在配線中使用銅條或雙絞線具有良好的效果。

E.箝位C與G之間的電壓。

(4)緩沖電路的分類

A.個(gè)別緩沖電路

RC緩沖電路、充放電型RCD緩沖電路、放電阻止型RCD緩沖電路

B.集中緩沖電路

C緩沖電路、RCD緩沖電路

(5)緩沖電路的分類

A.個(gè)別緩沖電路

B.集中緩沖電路

?第三部分散熱設(shè)計(jì)

1、損耗的產(chǎn)生與計(jì)算

IGBT模塊由IGBT和FWD部分構(gòu)成，它們各自發(fā)生的損耗的合計(jì)即為IGBT的整體損耗，其中又可分為穩(wěn)態(tài)損耗和交換損耗。

根據(jù)計(jì)算的發(fā)生損耗進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，保證結(jié)溫Tj不超過設(shè)計(jì)值。

2、散熱器(冷卻體)的選定辦法

(1)穩(wěn)態(tài)的熱方程式

??半導(dǎo)體的熱傳導(dǎo)可以變換成電路予以解釋。這里考慮僅將IGBT模塊安裝到散熱器的情形。為此，就熱量而言，可以轉(zhuǎn)換成如下圖所示的熱阻等效電路。

??通過上述的等效電路，可得到結(jié)

??溫的熱方程式：

(2)瞬態(tài)的熱方程式

??一般情況下，雖然如前面所述，從平均發(fā)生的損耗考慮Tj已經(jīng)足夠，但實(shí)際上反復(fù)交換的損耗是脈沖波動(dòng)的。因此，可以將損耗看成一定周期內(nèi)和一定的峰值形成下的連續(xù)矩形脈沖。使用說明書中的瞬態(tài)熱阻曲線，近似計(jì)算出溫度脈動(dòng)峰值Tjp。

??據(jù)此，Tjp不超過Tmax選定散熱器。

??等效圖

3、散熱的工程實(shí)施

A.IGBT模塊的安裝

(1)安裝位置

A、單個(gè)模塊時(shí)，安裝在散熱器中心則熱阻;

B、多個(gè)模塊安裝在一個(gè)散熱器上時(shí)，考慮整體散熱情況，對發(fā)生損耗的模塊給予面積。

(2)散熱器的表面處理

??盡量選用平整度好的散熱器。

3、IGBT模塊的安裝

(3)散熱絕緣混合劑的涂覆

??硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)、涂抹方法

3、IGBT模塊的安裝

(4)緊固方法

第四部分驅(qū)動(dòng)電路說明

1、驅(qū)動(dòng)電路的主要功能

(1)對控制信號(hào)的功率放大及整形

(2)電氣隔離

(3)保護(hù)檢測

2、驅(qū)動(dòng)的一般特性

3、一般驅(qū)動(dòng)要求：

(1)通常驅(qū)動(dòng)電路必須提供正柵壓+15V，關(guān)斷負(fù)柵壓-15～-5V;

(2)柵極驅(qū)動(dòng)電路必須能夠傳送一個(gè)與總的柵極電荷乘以開關(guān)頻率相等的平均電流，它也必須能夠傳送峰值電流。

(3)為使瞬變和振蕩減到，應(yīng)在柵極串聯(lián)一個(gè)低值的電阻(阻值不等，見廠家推薦的數(shù)值或圖表);

(4)GE之間應(yīng)設(shè)計(jì)瞬態(tài)抑制二極管，并盡可能靠近該器件;

(5)驅(qū)動(dòng)電路布線必須采用適當(dāng)?shù)慕拥?，?qū)動(dòng)電流導(dǎo)線盡可能短;

(6)避免主回路導(dǎo)電條與驅(qū)動(dòng)電路混合或相交;

(7)驅(qū)動(dòng)器電源兩端須有高頻旁路方式，并盡可能接近驅(qū)動(dòng)電路;

(8)驅(qū)動(dòng)電源的脈沖供流能力以及防止震蕩的能力;

(9)保護(hù)閥值要設(shè)置好。

4、M57962L驅(qū)動(dòng)短路保護(hù)

??下圖為保護(hù)波形、工作原理如右圖：

??第五部分應(yīng)用對比示例

1、主電路工作模式分析

??例：多晶硅750V直流斬波電路

??多晶硅的冶煉過程可以分成三個(gè)部分：

①預(yù)加熱

??采用三組12KV打壓電源對∏型硅棒進(jìn)行打壓，使得硅棒由高阻態(tài)轉(zhuǎn)化至低阻態(tài)。

②持續(xù)加熱

??采用軟啟動(dòng)使得電流逐步上升，從而實(shí)現(xiàn)對硅棒持續(xù)加熱，使其溫度上升至設(shè)定值。

③恒溫加熱

??調(diào)節(jié)輸出電壓電流使得硅棒溫度恒定在設(shè)定溫度，為多晶硅的化學(xué)冶煉提供適宜的環(huán)境。

??例：多晶硅750V直流斬波輸入電源

例：多晶硅750V直流斬波負(fù)載形式

例：多晶硅750V直流斬波主電路拓?fù)?/p>

??多相并聯(lián)Buck電路一般有兩種基本拓?fù)?，左圖為每相Buck電路各用一個(gè)電感的拓?fù)?，右圖為兩相Buck電路共用一個(gè)電感的拓?fù)?。這兩種拓?fù)洳捎媒诲e(cuò)控制后合路電流的等效頻率為支路電流的兩倍。相比于非交錯(cuò)控制，交錯(cuò)控制選擇較小的電感即可達(dá)到相應(yīng)的電流紋波率指標(biāo)。

??例：多晶硅750V直流斬波工作模式

??根據(jù)以上分析，IGBT斬波器對硅棒加熱可以分為兩個(gè)階段：

??階段1：獨(dú)立運(yùn)行階段(前17個(gè)工作點(diǎn))

?此階段1組IGBT斬波器對應(yīng)1對∏型硅芯棒單獨(dú)進(jìn)行加熱，輸出電壓范圍為160V至750V左右，輸出電流范圍60A至600A左右，當(dāng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)每個(gè)Buck電路輸出的電壓小于160V時(shí)，獨(dú)立供電無法滿足硅棒電壓、電流要求，通過接觸器開關(guān)調(diào)整IGBT斬波器進(jìn)入第二階段。

??例：多晶硅750V直流斬波工作模式

??階段2：并聯(lián)運(yùn)行階段(第17至第72個(gè)工作點(diǎn))

??第二階段通過接觸器開關(guān)將每3組Buck電路輸出并聯(lián)起來，向串聯(lián)的3對∏型硅芯棒供電，輸出電壓范圍依然為160V- 750V，并聯(lián)輸出電流范圍為500A-2600A。

?其中L：每支路的電感值0.2mH;I：流過負(fù)載的電流;

N：并聯(lián)IGBT數(shù);j：不超過N*D的整數(shù)

3、額定電流

IGBT模塊的集電極電流變大時(shí)，同態(tài)阻抗上升，發(fā)生的穩(wěn)態(tài)損耗就變大。開關(guān)損耗也同樣增加使元件發(fā)熱。由于需要將IGBT、FWD的結(jié)溫控制在150℃以內(nèi)使用。因此選定IGBT的額定電流非常重要。

??選擇IGBT模塊電流時(shí)，應(yīng)充分考慮主電路的工作模式，分析各個(gè)工作狀態(tài)時(shí)IGBT的電流應(yīng)力情況，特別注意非線性元件和線路雜散參數(shù)的影響。作為大體標(biāo)準(zhǔn)，一般在裝置的電流值≤元件的額定電流情況下使用。

??如上述直流斬波電路中，可用下式計(jì)算流過IGBT的電流：

驅(qū)動(dòng)波形——下降沿

??驅(qū)動(dòng)脈沖以及IGBT和續(xù)流二極管的CE極間電壓波形下圖所示，其中左側(cè)為英飛凌IGBT驅(qū)動(dòng)上升沿波形，右側(cè)為富士IGBT驅(qū)動(dòng)上升沿波形。

??注：CH1為IGBTVge，CH3為IGBT Vce，CH4為當(dāng)續(xù)流二極管用IGBT的Vce。

?電壓尖峰

??由以上波形對比可以得到如下結(jié)論

?富士IGBT比英飛凌IGBT的電壓峰值高120V，電壓尖峰高100V左右，因此從IGBT的CE電壓尖峰來說，英飛凌IGBT較好。

??溫升

??根據(jù)相同條件下測量得到的溫升數(shù)據(jù)，通過excel繪圖功能得下圖，其中左側(cè)為英飛凌IGBT驅(qū)動(dòng)情況，右側(cè)為富士IGBT溫升情況。

??注：IGBT下底銅基板：IGBT模塊的一個(gè)方向的銅基板表面，此點(diǎn)是將熱電偶固定于測試點(diǎn)上進(jìn)行測量;IGBT背部銅基板：模塊的銅基板中心位置，采用將熱電偶通過預(yù)留的插孔插入底部進(jìn)行測量的;IGBT左側(cè)銅基板：IGBT模塊的安裝位置靠左的方向銅基板表面。

由以上溫升情況可以得到如下結(jié)論

從溫度特性上來看，富士IGBT的溫升遠(yuǎn)低于英飛凌IGBT的溫升，因此富士IGBT的溫度特性較好。

??效率

??相同條件下，兩種IGBT效率對比如下

從上圖可以看出富士IGBT的效率要比英飛凌IGBT的效率高0.5至1個(gè)百分點(diǎn)，這也是運(yùn)行時(shí)英飛凌IGBT的溫度要比富士IGBT溫度高很多的原因