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作者：微葉科技 時(shí)間：2015-11-13 10:12

1. IGBT模塊在工業(yè)逆變焊機(jī)及高頻系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)簡(jiǎn)介
    工業(yè)逆變焊機(jī)和高頻系統(tǒng)中對(duì)可靠性影響最大的就是功率半導(dǎo)體模塊（IGBT模塊），由于逆變焊機(jī)和高頻應(yīng)用迅速增長(zhǎng)，特別針對(duì)功率器件的高頻特性要求也日趨提高，作為模塊生產(chǎn)廠家針對(duì)這些要求專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)適合高頻系統(tǒng)應(yīng)用的產(chǎn)品，本文介紹快速I(mǎi)GBT模塊在焊機(jī)和高頻系統(tǒng)中應(yīng)用的特點(diǎn)和條件。

2芯片特性比較

    功率模塊在系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，模塊自身的損耗決定了芯片的結(jié)溫，從而決定了散熱系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)條件的設(shè)計(jì)。圖3以1200V/200A模塊產(chǎn)品為例，與目前市場(chǎng)上的不同廠家模塊產(chǎn)品進(jìn)行導(dǎo)通飽和電壓VCE(sat)和Esw開(kāi)通總損耗參數(shù)對(duì)比.

圖1導(dǎo)通飽和電壓VCE(sat)和Esw開(kāi)通總損耗關(guān)系

    IGBT模塊的損耗主要取決于器件的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，利用公式：P=VCE(on)*Ic*D+(Eon+Eoff)*f，我們可以合理的優(yōu)化VCE和Esw參數(shù)，達(dá)到提高系統(tǒng)頻率的效果。從圖1的對(duì)比數(shù)據(jù)看出，快速I(mǎi)GBT模塊具有極低的開(kāi)關(guān)損耗特點(diǎn)，非常適用于高頻硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)，同時(shí)導(dǎo)通電壓較低的特點(diǎn)使之也可應(yīng)用于移相軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。

3   IGBT模塊在高頻系統(tǒng)中應(yīng)用條件

     不同廠家的產(chǎn)品特性會(huì)有區(qū)別，有的甚至區(qū)別很大。針對(duì)性能表現(xiàn)不同的產(chǎn)品，盡量不要直接替換使用，以免造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定和潛在失效。應(yīng)用條件的設(shè)計(jì)是決定器件能否可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，對(duì)于高頻系統(tǒng)的應(yīng)用條件主要有以下兩方面需要注意：

3.1門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓

圖2   驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)損耗的影響

     驅(qū)動(dòng)電壓的大小對(duì)IGBT工作時(shí)的損耗有很大的影響。系統(tǒng)通常采用正電壓開(kāi)通方式，開(kāi)通電壓越大，器件的導(dǎo)通壓降會(huì)減小，使其導(dǎo)通損耗隨之減小?？紤]到器件門(mén)極耐壓的限制，一般推薦驅(qū)動(dòng)電壓為+15V左右。同樣，關(guān)斷負(fù)壓絕對(duì)值越大，器件的關(guān)斷損耗也越小。圖5是相同系列產(chǎn)品在－15V和－0.5V關(guān)斷條件下?lián)p耗的對(duì)比，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，推薦廠商將關(guān)斷電壓設(shè)置在－5～-15V之間。

3.2  門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻

     門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻的選擇在IGBT模塊應(yīng)用中非常重要。由于不同廠家的產(chǎn)品特性不一樣，因此在不同的應(yīng)用條件下，選擇驅(qū)動(dòng)電阻會(huì)有一定的差別，因此廠家在替換IGBT模塊時(shí)，必須考慮模塊的自身特性，不能直接進(jìn)行替換。門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻的選擇可以從模塊的開(kāi)通狀態(tài)，關(guān)斷狀態(tài)和二極管反向恢復(fù)狀態(tài)三個(gè)方面討論。

3.2.1門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻選擇對(duì)開(kāi)通特性的影響

     IGBT模塊的開(kāi)通狀態(tài)主要由IGBT和FWD共同作用完成，整個(gè)開(kāi)通階段最重要的參數(shù)有開(kāi)通損耗（Eon）和開(kāi)通峰值電流（Ipeak）。驅(qū)動(dòng)電阻值越大，器件的開(kāi)通損耗（Eon）就越高，如圖3所示，開(kāi)通損耗隨電阻的增加而增加。對(duì)于高速開(kāi)關(guān)器件，開(kāi)關(guān)損耗本身就很小，所以驅(qū)動(dòng)電阻值在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)系統(tǒng)整體的運(yùn)行情況并沒(méi)有太大的影響，但是阻值增大會(huì)限制開(kāi)通時(shí)的峰值電流。高速模塊要求搭配快速FWD，F(xiàn)WD在恢復(fù)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高的峰值電流（Ipeak）和高的電流變化率di/dt，因此，門(mén)極驅(qū)動(dòng)阻值的選擇非常關(guān)鍵。

圖3   不同電阻下的開(kāi)通損耗

圖4   不同驅(qū)動(dòng)電阻下的Ipeak

       從上述比較中我們得出快速I(mǎi)GBT模塊在應(yīng)用時(shí)為了降低Ipeak對(duì)系統(tǒng)的影響，在相比開(kāi)通損耗增加不大的情況，Ipeak過(guò)高會(huì)帶來(lái)更多應(yīng)用危險(xiǎn)，增加電阻值會(huì)大大優(yōu)化模塊在開(kāi)通時(shí)的狀態(tài)，建議廠家選用大于30?的開(kāi)通電阻。

3.2.2門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻選擇對(duì)關(guān)斷特性的影響

圖5   不同關(guān)斷電阻下快速I(mǎi)GBT模塊關(guān)斷特性

       如圖可以得出關(guān)斷電阻值大小對(duì)關(guān)斷波形沒(méi)有太多影響，對(duì)關(guān)斷的損耗也沒(méi)有明顯的影響，但是電阻值越大增加了模塊在關(guān)斷時(shí)的延時(shí)時(shí)間（tdon），以至于增加了整個(gè)關(guān)斷時(shí)間，這種增加通常表現(xiàn)在納秒級(jí)差別。如果系統(tǒng)有足夠的死區(qū)時(shí)間，器件依然可以安全的關(guān)斷，如果想用大的關(guān)斷電阻設(shè)計(jì)，推薦死區(qū)時(shí)間大于2us。系統(tǒng)商如果考慮到增加死區(qū)時(shí)間會(huì)降低系統(tǒng)效率，或者在高頻段無(wú)法預(yù)留足夠的死區(qū)，可以通過(guò)分開(kāi)設(shè)計(jì)開(kāi)通電阻和關(guān)斷電阻的方法，開(kāi)通電阻的阻值選擇較大，關(guān)斷電阻的阻值較小。

3.2.3驅(qū)動(dòng)電阻選擇對(duì)二極管恢復(fù)特性影響

      高速二極管在恢復(fù)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高的電流變化率di/dt,系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的寄生電感和di/dt會(huì)產(chǎn)生峰值電壓（peakvoltage）,當(dāng)Vrr(peak)超過(guò)器件的安全工作區(qū)將會(huì)導(dǎo)致二極管擊穿，進(jìn)一步使模塊在開(kāi)通時(shí)過(guò)流導(dǎo)致IGBT燒毀，門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻的選擇對(duì)二極管在恢復(fù)時(shí)的di/dt有明顯的影響，如圖6。

圖6  不同門(mén)極電阻對(duì)二極管恢復(fù)特性的影響

3.3推薦使用驅(qū)動(dòng)電阻

     對(duì)于應(yīng)用頻率在20KHz－30KHz左右的工業(yè)逆變焊機(jī)和高頻系統(tǒng)門(mén)極電阻的選擇對(duì)于器件能否可靠運(yùn)行是至關(guān)重要的，而合適的阻值選擇，與器件在系統(tǒng)中使用的有效電流、系統(tǒng)頻率、驅(qū)動(dòng)電路功率大小、散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)、死區(qū)時(shí)間設(shè)置等條件有關(guān)，所以希望系統(tǒng)商結(jié)合廠家提供的信息共同完成阻值的選擇工作。

4.總結(jié)：

     高頻硬開(kāi)關(guān)和移相軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)正逐漸成為工業(yè)焊機(jī)領(lǐng)域的主流。傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)需要模塊的開(kāi)關(guān)損耗低于導(dǎo)通損耗，與之相反，軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)則要求模塊的導(dǎo)通損耗低于開(kāi)關(guān)損耗，而軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的變更會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成本的增加。因此，系統(tǒng)廠商迫切的需求一款開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗同時(shí)降低的模塊產(chǎn)品，能夠同時(shí)應(yīng)用于兩種系統(tǒng)。

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