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1 汽车用 IGBT 电源模块 应用笔记 技术说明 AN 版本 1.0 电力动力总成

2 版本 1.0 英飞凌科技股份公司印制地址 :81726 Munich, Germany 英飞凌科技股份公司版权所有,2010 年 保留所有权利 免责声明本应用笔记中给出的信息仅作为关于使用英飞凌科技组件的建议, 不得被视为就英飞凌科技组件的任何特定功能 条件或质量作出的任何说明或保证 本应用笔记的接收者必须在实际应用中验证本文描述的任何功能 英飞凌科技在此声明, 未就本应用笔记中给出的任何及所有信息作出任何性质的保证, 也不承担任何性质的责任, 包括但不限于没有侵犯任何第三方的知识产权的保证 信息垂询 若需获得关于技术 交付条款和价格的更多信息, 敬请联系距离您最近的英飞凌办事处 ( 警告由于技术要求, 组件可能包含有害物质 若需了解相关物质的类型, 请联系距离您最近的英飞凌办事处 如果可以合理地预计英飞凌的某个组件可能会导致生命支持设备或系统失效, 或者影响该等设备或系统的安全性或有效性, 那么在将该等组件用于生命支持设备或系统之前, 必须获得英飞凌的明确书面同意 生命支持设备或系统意指用于植入人体内部, 或者支持和 / 或

3 维持 维系和 / 或保护人类生命的设备或系统 如果这些设备或系统失效, 可以合理地假设 其用户或其他人的健康将受到威胁

4 文档修订记录 日期版本修订人修订说明 2010 年 12 月 8 日 1.0 T. Reiter 初版 欢迎提出意见和建议您是否认为本文档中的任何信息存在错误 含糊不清或遗漏? 您的宝贵意见和建议将帮助我们持续不断地改进本文档的质量 请将您的意见和建议 ( 请注明本文档的索引号 ), 发送电子邮件至 :hybrid@infineon.com 英飞凌科技股份公司商标 AURIX BlueMoon COMNEON C166 CROSSAVE CanPAK CIPOS CoolMOS CoolSET CORECONTROL DAVE EasyPIM EconoBRIDGE EconoDUAL EconoPACK EconoPIM EiceDRIVER EUPEC FCOS HITFET HybridPACK ISOFACE I²RF IsoPACK MIPAQ ModSTACK my-d NovalithIC OmniTune OptiMOS ORIGA PROFET PRO-SIL PRIMARION PrimePACK RASIC ReverSave SatRIC SIEGET SINDRION SMARTi SmartLEWIS TEMPFET thinq! TriCore TRENCHSTOP X-GOLD XMM X-PMU XPOSYS 其他商标 安捷伦科技公司的 Advance Design System (ADS) 英国 ARM 有限公司的 AMBA ARM MULTI-ICE PRIMECELL REALVIEW THUMB AUTOSAR 已获

5 得 AUTOSAR 开发伙伴组织的许可 蓝牙技术联盟的 Bluetooth DECT 论坛的 CAT-iq 天宝导航有限公司的 COLOSSUS FirstGPS EMVCo, LLC(Visa 控股公司 ) 的 EMV Epcos 股份公司的 EPCOS 微软公司的 LEXGO FlexRay 已获得 FlexRay 联合体的许可 Hilgraeve 公司的 HYPERTERMINAL 国际电工委员会的 IEC 红外数据协会的 IrDA 国际标准化组织的 ISO MathWorks 公司的 MATLAB 美信集成产品公司的 MAXIM 明导科技公司的 MICROTEC NUCLEUS NXP 的 Mifare MIPI 联盟的 MIPI 美国 MIPS 科技公司的 MIPS 村田制作所株式会社的 murata Applied Wave Research 公司的 MICROWAVE OFFICE (MWO) 豪威科技公司的 OmniVision 奥维系统公司的 Openwave 红帽公司的 RED HAT 威讯联合半导体公司的 RFMD Sirius Sattelite Radio 公司的 SIRIUS 太阳微系统公司的 SOLARIS Spansion 公司的 SPANSION 塞班软件有限公司的 Symbian 太阳诱电株式会社的 TAIYO YUDEN CEVA 公司的 TEAKLITE 泰克科技公司的 TEKTRONIX 东兴株式会社的 TOKO X/Open 有限公司的 UNIX Cadence 设计系统公司的 VERILOG PALLADIUM 德州仪器公司的 VLYNQ 风河系统公司的 VXWORKS WIND RIVER Diodes Zetex 有限公司的 ZETEX

6 目录 1 摘要 导言 数据表的状态 型号命名规则 数据表参数 IGBT 集电极 - 发射极电压 V CES 总功率损耗集电极 - 发射极电压 P tot 集电极电流 I C 重复性集电极峰值电流 I CRM 反向偏压安全运行区域 RBSOA 典型输出和传递特性 IGBT 器件结构以及 IGBT 与功率 MOSFET 在输出特性上的区别 传递特性和输出特性 (IGBT 数据表 ) 寄生电容 测定电路 栅极电荷 Q g 和栅极电流 寄生导通效应 开关时间 短路 泄漏电流 I CES 和 I GES 热特性 数据表参数 二极管 正向电流 I F 和正向特性 重复性峰值正向电流 I FRM 反向恢复 特热性 数据表参数 NTC 热敏电阻 NTC 阻值 B 值 数据表参数 模块 绝缘电压 V ISOL 杂散电感 L S 模块电阻 R CC +EE... 37

7 6.4 冷却回路 安装扭矩 M 参考资料... 39

8 1 摘要 注释 : 本应用笔记中给出的下列信息仅作为关于实现该器件的建议, 不得被视为就该器件的任何特定功能 条件或质量作出的任何说明或保证 本应用笔记旨在对汽车用 IGBT 模块的数据表中给出的参数和图表予以解释 本应用笔记有助于要求使用 IGBT 模块的功率电子元件的设计者正确地使用该数据表, 并为其提供背景信息 2 导言 数据表中提及的每一项参数都给出了尽可能详细地表明该模块的特性的值 一方面, 有了这些信息, 设计者应当能够对不同竞争对手提供的器件进行相互比较, 另一方面, 根据这些信息, 设计者应当足以理解该器件的局限性所在 本文档有助于更加深刻地理解数据表中标示的参数和特性 本文档解释了这些参数与诸如温度等条件的影响之间的相互作用 提及动态特性试验的数据表值, 如开关损耗, 均与具备确定的杂散电感和栅极电阻等等值的特定试验设置有关 因此, 这些值可能与最终用户应用的值有所不同 随附图形 表格和说明, 均以 FS800R07A2E3 的数据表 ( 编写于 2009 年 4 月 20 日的版 本 1.4) 为例 所示值和特性不可用于二次开发活动 关于数据表的最新版本, 请访问公司 网站 :

9 2.1 数据表的状态 取决于产品开发的状态, 相关技术信息包含 : 目标数据 初步数据 最终数据 目标数据描述了未来产品的设计目标 初步数据基于利用系列工具生产出的元件 制造过程接近于生产活动, 但部分活动是在实 验室中完成的 在未来的开发过程中, 机械特性 热性能和电气特性等数据可能略有变化 可靠性和使用寿命在一定程度上, 但未最终获得 IGBT 模块认可 最终数据基于最终元件 制作过程在考虑了用于量产的生产工具的系列条件下完成 机械 特性 热性能和电气特性等数据是固定的 可靠性和使用寿命获得认可和放行 2.2 型号命名规则 芯片类型模块类型闭锁电压导通类型额定电流

10 模块拓扑 模块拓扑 代号 FS 说明 SixPACK / B6 桥 FF 半桥 ( 两颗 IGBT 和飞轮二极管 ) FZ F4 搭载了 IGBT 和飞轮二极管的单开关 半桥 FD/DF 斩波或降压或升压变压器模块 额定电流 代号说明 800 实现的集电极电流 [A] 导通类型 代号说明 R T 反向导通 双向闭锁开关 闭锁电压 代号 说明 07 集电极 - 发射极击穿电压 ( 单位 :100V) 取值四舍五入 实际值请参见数据表中 的击穿电压

11 模块类型 代号 Ax 说明 A: 符合汽车行业要求的封装 x=1:hybridpack1 封装 x=2:hybridpack2 封装 Wx W: 简易封装 x=1 EASY 1B 封装 x=2 EASY 2B 封装 注意 : A 作为代码的最后一个字符, 表示简易型汽车用电源模块 芯片类型 代号说明 EX 沟道 IGBT 快速开关和低 Vce,sat x=1..n 内部参考号 3 数据表参数 IGBT 3.1 集电极 - 发射极电压 V CES 规定的允许峰值集电极 - 发射极电压是 25 C 结温条件下的值 ( 请参见图 1) 这个值随着温 度的降低而下降, 系数约为 :

12 图 1 IGBT 的集电极 - 发射极电压 ( 摘自数据表 ) 3.2 总功率损耗集电极 - 发射极电压 P tot 这个参数描述了下列情况下的最大功率损耗 : 如果电源模块采用了针翅 (PinFin) 结构 (RthJF), 冷却液温度 ( 图 2) 如果电源模块采用了平板基板或未采用基板 (RthJC), 模块外壳温度 因此, 一般而言, 可以根据如下等式, 计算出总功率损耗 : (1) 本文所讨论的的 HybridPACK 2 是一个采用针翅结构的电源模块 功率损耗与结温和冷却 液以及结与冷却液之间的热阻有关 ( 等式 (2)) 在最高 25 C 的冷却液温度范围内, 规定 的功率损耗为其最大值 ( 等式 (3)) 随着冷却液温度的升高, 功率损耗反而降低 (2) (3) 图 2 P tot 最高额定值 ( 摘自数据表 ) 可以分别计算出二极管芯片的可能的功率损耗 然而, 等式 (2) 和等式 (3) 必须使用二

13 极管的结到冷却液热阻 请注意, 如果冷却液温度为 25 C, 则结温高于 25 C 因此, 看起来采用针翅结构的电源 模块的额定电流, 低于采用平板基板的电源模块的额定电流 但由于考虑了结到散热器热 阻, 针翅结构的优势变得显而易见 在第 3.11 节, 将更加详细地介绍电源模块的热性能 3.3 集电极电流 I C 根据总功率损耗, 可以利用等式 (4), 计算出电源模块的最高额定集电极电流 这样, 为 了给出电源模块的额定电流, 必须明确说明相应的结温和冷却液温度, 例如图 3 所示 请 注意, 不是在确定的温度条件下给出的额定电流, 在技术上根本没有意义 (4) 由于在等式 (4) 中,I C 是未知的, 因此 V CE C 也是未知的, 但通过简单的迭代, 即可 计算得到 [5] 额定集电极连续直流电流, 是按 V CE sat 最大值计算得到的, 在考虑了元件容 差的情况下, 可确保规定的额定电流 图 3 集电极直流电流 ( 摘自数据表 ) 3.4 重复性集电极峰值电流 I CRM 在应用中, 可以短时间超过标称额定电流 在数据表中, 这个电流被定义为规定脉冲持续

14 时间内的重复性集电极峰值电流 ( 请参见图 4) 理论上, 如果过流状态的持续时间是确定的, 则可以根据可能的功率损耗和热阻 Z th, 推导出这个值 然而, 这个理论值并未考虑到任何焊接线 母线排和电源接头等等的限制 因此, 相比于从理论上计算得到的值, 数据表中给出的值相当低, 但这个值阐明了在考虑到电源模块的所有实际局限性的情况下的可靠运行性能 图 4 重复性集电极峰值电流 ( 摘自数据表 ) 3.5 反向偏压安全运行区域 RBSOA 反向偏压安全运行区域是指, 电源模块的 IGBT 在关断时的安全运行条件 由于在开关过程中, 未超过规定的最高结温, 因此, 在其规定的闭锁电压范围内, 可以用最高两倍于其标称额定电流的驱动电流, 驱动该芯片 归因于杂散电感, 电源模块的安全运行区域是有限的 随着开关电流的提高, 允许的集电极 - 发射极电压反而降低 此外, 这种下降, 严重依赖于与系统有关的参数, 如 DC-Link 电容器的杂散电感和开关瞬态过程中的换流斜率 假定,DC-Link 电容器非常适于在这个运行区域内工作 换流斜率则可根据规定的栅极电阻和栅极驱动电压来确定, 如图 5 中的试验参数所注明

15 图 5 反向偏压安全运行区域 ( 摘自数据表 ) 3.6 典型输出和传递特性 典型输出和传递特性数据可用于计算 IGBT 的传导损耗 为了有助于更加深刻地理解这些 参数, 简要探讨了 IGBT 器件结构以及其与功率 MOSFET 在输出特性上的区别 然后, 解 释了 IGBT 模块的数据表参数 IGBT 器件结构以及 IGBT 与功率 MOSFET 在输出特性上的区别 图 6 沟道场终止 IGBT 和双晶体管等效电路 (a) IGBT 与功率 MOSFET 的输出特性之比较 ( b) 图 6a 所示为搭载了简化的双晶体管等效电路的沟道场终止 IGBT 的结构 当 IGBT 处于导通状态时, 位于 IGBT 的集电极侧的 PNP 双极晶体管的 PN 结, 引起二极管电压降 IGBT 内在的双极晶体管被 MOSFET 驱动 因此, 栅极驱动特性与功率 MOSFET 极为相

16 似 但输出特性则有所不同, 如图 6b 示意图所示 该图所示为, 在两种不同的结温条件下, 这两种器件在导通状态下的特性 如图 6b 所示, 归因于其内在的体二极管, 在负的漏源电压的作用下,MOSFET 处于反向 导通状态 IGBT 不具备体二极管, 因此如果要求实现这种运行模式, 就必须使用反向并联 二极管 其优势是, 可以针对 IGBT, 单独优化该外接二极管 在导通状态下 ( 即, 正的漏源电压或集电极 - 发射极电压 ), 这两种器件的主要区别是, MOSFET 是一个单极器件, 所产生的输出特性可以用电阻值 (R ds(on) ) 来表示 较之于 MOSFET,IGBT 具备二极管电压降 因此, 在极轻负载条件下 ( 如图 6b 中的工作点 1 所示 ),MOSFET 的传导损耗总是低于 IGBT 但输出特性取决于结温 通常, 当结温从 25 C 升高至 150 C 时,MOSFET 的通态电阻 R ds(on) 会增加约一倍 对比之下,IGBT 的温度系数低得多 在轻负载条件下, 由于 PN 结上的电压降较低, 随着温度的升高, 传导损耗甚至会降低 ( 请参见图 6b 中电流值在工作点 2 以下的曲线 ) 当电流高于该值时, 阻值的增加更为显著 归因于此, 高电流 IGBT 电源模块可以并且通常要求并联若干个 IGBT

17 图 6 沟道场终止 IGBT 和双晶体管等效电路 (a) IGBT 与功率 MOSFET 的输出特性之比 较 (b) 传递特性和输出特性 (IGBT 数据表 ) 传递特性表明, 随着结温的升高, 导通阈值电压反而降低, 如图 7 所示 由于导通阈值电 压远高于零, 即使使用了零栅极驱动电压, 较高结温也不会自动导通 IGBT

18 图 7 典型传递特性 ( 摘自数据表 ) 正如第 节所讨论,IGBT 的输出特性取决于结温 图 8a 所示为, 在不同结温条件下, 处于导通状态的 IGBT 的集电极电流随集电极 - 发射极电压而变化的情况 当电流值低于约 300 A 时, 传导损耗随温度的升高而降低 当电流高于该值时, 传导损耗略微增加 在本例中, 在标称额定电流 (800 A) 条件下, 传导损耗增加了 15% 左右, 并且结温从 25 C 升高至 150 C

19 图 8 不同结温 (a) 和栅极 - 发射极电压 (b) 条件下的典型输出特性 ( 摘自数据表 ) 图 8b 所示为, 不同栅极 - 发射极电压条件下的典型输出特性 IGBT 不应以线性模式运行, 因为这会导致过高传导损耗 如果不限制功率损耗的值和时间, 那么, 该器件可能发生故障 将 15 V 作为典型栅极驱动电压, 只会在开关瞬态过程中, 短暂地出现这样的线性模式, 对 IGBT 而言, 这是正常工作条件 3.7 寄生电容 IGBT 的动态特性受寄生电容的影响 图 9 所示为采用三个电容时的常见行为模式 图中所示的输入电容 C ies 和反向传递电容 C res, 有助于栅极驱动电路选型 输出电容 C oss 限制了开关瞬态过程中的 dv/dt, 由此, 在使用 IGBT 的应用中, 与 C oss 有关的功率损耗通常可以忽略不计

20 图 9 IGBT 的寄生电容 测定电路 寄生电容值严重依赖于 IGBT 的工作点 ( 即, 取决于电压 ) 为了测定偏压栅极或集电极- 发射极电压条件下的这些电容, 采用了下列测定电路 ( 请参见图 10) 输入电容 C ies ( 图 10a): 在偏压集电极 - 发射极电压为典型值 25V 的条件下, 测定输入电容 C ies 通常将栅极- 发射极电压设置为零 借助感应器, 使栅极 - 发射极电压源输出的交流电流, 远离电容电桥 输出电容 C oss ( 图 10b): 在偏压集电极 - 发射极电压条件下, 测定输出电容 C oss 借助感应器, 使集电极 - 发射极电压源输出的交流电流, 远离电容电桥. 反向传递电容 C res ( 图 10c): 在偏压集电极 - 发射极电压为典型值 25V 的条件下, 测定反向传递电容 C res 通常将栅极- 发射极电压设置为零 借助感应器, 使栅极 - 发射极和集电极 - 发射极电压源输出的交流电流, 远离电容电桥

21 图 10 用于测定输入电容 C ies (a) 输出电容 C oss (b) 和反向传递电容 C res (c) 的基本电 路图 栅极电荷 Q g 和栅极电流 栅极电荷值, 有助于设计栅极驱动电路 可以根据栅极电荷 栅极驱动电压和开关频率等 数据, 计算出栅极驱动电路必须实现的平均输出功率 ( 等式 (5)) (5)

22 以 10 khz 和 15 V 正负栅极驱动电压为例, 可以利用等式 (6), 计算出所要求的栅极驱动 电路输出功率 ( 图 11) (6) 图 11 栅极电荷和内置栅极晶体管 ( 摘自数据表 ) 根据栅极驱动电压和栅极电阻, 可以计算出理论上的栅极驱动峰值电流 栅极电阻阻值是 外部和内部栅极驱动电阻之和 ( 等式 (7), 图 11): (7) 事实上, 由于受限于实际栅极驱动电路的杂散电感和非理想开关瞬态过程, 这个峰值电流 是实现不了的 寄生导通效应 根据数据表中标示的 IGBT 的寄生电容, 可以分析 dv/dt 引起的寄生导通现象 可能的寄生 导通现象, 是由集电极 - 栅极和栅极 - 发射极之间的固有容性分压器引起的 ( 请参见图 9) 考虑到集电极 - 发射极上的较高瞬态电压, 这个固有的容性分压器比受限于寄生电感的外接 栅极驱动电路快得多 因此, 即使栅极驱动器关断了 IGBT, 即, 在零栅极 - 发射极电压状 态下, 瞬态集电极 - 发射极电压也会引起与驱动电压不相等的栅极 - 发射极电压 忽略栅极驱

23 动电路的影响, 可以利用以下等式, 计算出栅极 - 发射极电压 : (8) 因此, 商数 C res /C ies 应当尽可能低, 以避免 dv/dt 引起寄生导通现象 ( 商数约为 35, 请参 见图 12) 此外, 输入电容应当尽可能低, 以避免栅极驱动损耗 图 12 IGBT 的寄生电容 ( 摘自数据表 ) 数据表中给出的寄生电容是在恒定的 25 V 集电极 - 发射极电压条件下的值 ( 请参见图 12) 栅极 - 发射极电容约为该恒定集电极 - 发射极电压条件下的值 ( 等式 (9)) 反向传递电容严 重依赖于集电极 - 发射极电压, 可以利用等式 (10) 估算得到 ( 请参见图 13): (9) (10) 图 13 利用等式 (9) 和 (10) 计算得到的不同集电极 - 发射极电压条件下的输入和反向传 递电容近似值

24 所以, 防止 dv/dt 引起的寄生导通现象的稳定性, 随集电极 - 发射极电压的升高而增强 ( 请 参见等式 (8)) 低阻抗 ( 即, 低杂散电感 ) 栅极驱动电路, 也可最大限度地降低发生寄生 导通事件的风险 3.8 开关时间 数据表中给出的开关时间, 为确定半桥配置中的互补器件的接通与关断之间的恰当空载时间, 提供了有用信息 关于设置恰当的空载时间的更多信息, 请参阅参考资料 [1] 数据表中给出的开关时间的定义如下, 如图 14 中的示意图所示 接通延时 (t d on ): 10% 栅极 - 发射极电压, 至 10% 集电极电流 升高时间 (t r ): 10% 集电极电流, 至 90% 集电极电流 关断延时 (t d off ): 90% 栅极 - 发射极电压, 至 90% 集电极电流 下降时间 (t f ): 90% 集电极电流, 至 10% 集电极电流 开关时间不能提供关于开关损耗的可靠信息, 因为电压升高时间和下降时间以及电流拖尾 均未确定 因此, 每个脉冲造成的功率损耗需单独确定

25 图 14 开关波形示意图以及开关时间和功率损耗定义 在数据表中, 将每个脉冲造成的开关损耗定义为如下积分 : (11) 积分范围 t1 和 t2 为 : 每个脉冲造成的接通功率损耗 (E on ): 10% 集电极电流, 至 2% 集电极 - 发射极电压 每个脉冲造成的关断功率损耗 (E off ): 10% 集电极 - 发射极电压, 至 2% 集电极电流 这样, 开关时间和每个脉冲造成的功率损耗, 严重依赖于多种不同的针对特定应用的工作 条件, 如栅极驱动电路 布局 栅极电阻 开关电压和电流以及结温等 因此, 数据表中 的值仅为表明电源模块的开关性能 如需更加精确的值, 则有必要考虑针对特定应用的参

26 数, 进行详尽的模拟, 或进行试验研究 通常, 按照正常工作条件, 确定不同温度下的开关时间和每个脉冲造成的功率损耗 ( 图 15) 通过确定每个脉冲造成的功率损耗, 随集电极电流和栅极电阻而变化的情况 ( 图 16), 可 以表明在典型工作条件下的开关性能 图 15 开关时间和功率损耗 ( 摘自数据表 ) 图 16 每个脉冲造成的功率损耗, 随集电极电流和栅极电阻而变化的情况 ( 摘自数据表 )

27 3.9 短路 短路特性严重依赖于针对特定应用的参数, 如结温 杂散电感 栅极驱动电路和短路电阻等 为了确定器件的短路特性, 使用了如图 17a 所示的试验设置 其中, 一个 IGBT 短路, 而另一个 IGBT 则由一个脉冲驱动 相应的典型电压和电流波形如图 17b 所示 处于导通状态的 IGBT 中的电流, 以一个取决于寄生电感和 DC-Link 电压的电流斜率, 快速增加 由于 IGBT 的饱和压降低, 该电流的最高值不超过标称电流的 5 倍左右 ( 对于 IGBT3), 而集电极 - 发射极电压则保持在高电平 在这个短路过程中, 受较高电流及由此引起的功率损耗的影响, 芯片温度升高 由于芯片温度的升高, 在短路状态下工作时电流略有降低 在规定的时间 t p,igbt 被关断, 以避免器件故障 图 17 短路试验设置 (a) 和短路试验过程中的典型电压 / 电流波形 (b) 在短路试验中测得的数据和所采用的参数均在数据表中注明 ( 请参见图 18) 图 18 短路数据 ( 摘自数据表 )

28 3.10 泄漏电流 I CES 和 I GES 必须考虑两种主要的泄漏电流 当 IGBT 处于闭锁模式时, 集电极 - 发射极截止电流值, 确 保了泄漏电流的上限 在最高栅极 - 发射极电压条件下, 测得栅极 - 发射极泄漏电流 当超出 这个值时, 栅极氧化层将发生故障, 引起器件故障 图 19 泄漏电流 ( 摘自数据表 ) 3.11 热特性 如果不规定温度以及热阻, 第 3.2 节和第 3.3 节中讨论的功率损耗值和额定电流值是没有意义的 因此, 为了比较不同的器件, 还有必要比较其热特性 关于结温的定义的信息, 请参阅参考资料 [3] 和参考资料 [2] 中讨论的热模拟 下面探讨了一些相关方面, 以便设计者更加深刻地理解数据表中的参数的含义 在标示采用平板基板或分立式器件的电源模块的特性时, 将注明结温 壳温和散热器温度 本文所讨论的电源模块采用了具备针翅结构的基板, 通过冷却液进行散热 因此, 冷却液温度相当于通常定义的散热器温度 所以, 数据表中规定了结到冷却液热阻 ( 图 20), 由此, 这个值取决于冷却剂及流速 ( 图 21a) 图 20 IGBT 的结到冷却液热阻 ( 摘自数据表 )

29 请注意, 在比较不同电源模块的性能时, 必须考虑其结到冷却液热阻或结到散热器热阻 图 21 热阻 (a) 和瞬态结到冷却液热阻 (b)( 摘自数据表 ) 该电源模块由具备特定的热容和热阻的不同材料构成 因此, 当频率较高时, 热阻低于静 态热阻 热阻的模型如图 22 所示 数据表中标示了这个热阻模型的系数 ( 图 21b), 由此, 可以利用如下等式, 计算出热容值 : (12) 图 22 瞬态热阻模型

30 4 数据表参数 二极管 4.1 正向电流 I F 和正向特性 二极管正向电流的计算方法, 类似于 IGBT 额定电流 ( 请参见第 3.3 节 ), 其中, 必须使用 二极管的 R thjf : (13) 图 23 所示为所实现的二极管在不同结温条件下的典型正向特性 图中可以看出, 二极管正 向电压降的温度系数为负, 这是少数载流子器件的特性 因此, 二极管的传导损耗随温度 的升高反而降低 图 23 二极管的正向特性 ( 摘自数据表 )

31 4.2 重复性峰值正向电流 I FRM 数据表中关于二极管的重复性峰值正向电流的规定, 与 IGBT 相对应 更多信息请参见第 3.4 节 4.3 反向恢复 当二极管处于导通状态时,PN 结被施以正向偏压 ( 图 24) N 区中的空穴被注入电子, 形成少数载流子, 最终与从 N 区注入的电子相结合 在二极管转换为闭锁模式之前, 必须采用主动手段或被动手段, 通过重新结合, 减少存储在 N 区中的少数电荷 两种机制同时发生 被主动移除的少数电荷被称为 恢复电荷 (Q r ) 这种电荷导致半桥中的互补开关在接通瞬态过程中发生电流过冲, 并产生功率损耗 图 24 正向偏压状态下的功率二极管 图 25 所示为软恢复 ( 发射极可控 ) 二极管在关断瞬态过程中的电流和电压波形示意图 数 据表中标示的峰值反向恢复电流 I RM ( 图 26) 的定义是, 负电流峰值绝对值与零电流之差 数据表中标示的恢复电荷 Q r ( 图 26) 是积分 : (14) 积分范围为二极管零电流和峰值反向恢复电流的 2%, 如图 25 所示

32 图 25 软恢复二极管在关断瞬态过程中的电流和电压波形示意图 可以根据每个脉冲恢复的电量, 计算出反向恢复过程造成的功率损耗 恢复电量被定义为 如下积分 : (15) 积分范围为二极管反向电压的 10% 和峰值反向恢复电流的 2% 图 26 反向恢复电流 电荷和电量 ( 摘自数据表 ) 所恢复的电荷, 以及二极管反向恢复过程造成的功率损耗, 严重依赖于结温以及换流斜率 为了表明特定应用的功率损耗, 数据表中将每个二极管关断脉冲导致的功率损耗标示为, 二极管正向电流及开关 IGBT 的栅极电阻的函数 栅极电阻的变化与换流斜率的变化相同

33 图 27 每个脉冲造成的反向恢复功率损耗, 随二极管通态电流和栅极电阻而变化的情况 ( 摘 自数据表 ) 4.4 特热性 在数据表中, 对二极管的热特性的标示类似于 IGBT 更多信息请参见第 3.11 节 5 数据表参数 NTC 热敏电阻 5.1 NTC 阻值 功率电子器件的一个最重要的参数是, 芯片温度 在大多数情况下, 芯片温度由 NTC 热敏 电阻, 间接测得 通过测定 NTC 的温度, 再利用热模型, 即可计算出芯片的温度 关于热

34 模型和温度测定的更多信息, 请参阅参考资料 [4] 利用 NTC 温度 T 2 的函数, 即可算出 NTC 的阻值 : (16) 数据表中规定了温度时的阻值 (R 25 )( 图 28) 通过测定实际的 NTC 阻值 (R 2 ), 可以利用如下等式, 计算出实际温度 T 2 : (17) 数据表中规定了当温度为 100 C 时, 阻值的最大相对偏差 ( 请参见图 28) 为了避免 NTC 自热, 必须限制功率损耗 数据表中规定了会导致 NTC 温度升高 1K 的功率损耗 ( 请参见 图 28) 根据这个值, 可以计算出 NTC 的热阻 R th (NTC 到冷却液 ): (18) 为了确保 NTC 自热不超过 1K, 流经 NTC 的电流不能超过限值 : (19) 图 28 NTC 热敏电阻的特性值 ( 摘自数据表 )

35 5.2 B 值 为了计算出实际的 NTC 阻值及 NTC 的温度, 必须使用 B 值 B 值取决于所考虑的温度范 围 通常, 让人感兴趣的是温度范围 25 至 100, 因此, 必须使用 B 25/100 如果关注的 是更低的温度范围, 则可使用 B 值 B 25/80 或 B 25/50, 以便更加精确地计算阻值 图 29 NTC 热敏电阻的 B 值 ( 摘自数据表 ) 6 数据表参数 模块 6.1 绝缘电压 V ISOL 该模块经专门设计, 所有端子都与基板绝缘, 以至少实现 IEC61140 标准中规定的基本绝 缘 ( 请参见图 30) 图 30 绝缘试验电压 ( 摘自数据表 ) 数据表中规定的额定试验电压, 业经在电源模块的可靠性试验前后完成试验, 是该等应力 试验的故障标准之一 经专门设计,NTC 与其他接头之间的绝缘, 仅为实现功能性绝缘 ( 通常为 1.5kV) 如果发 生故障 ( 如, 栅极驱动电路 ), 移动焊接线在故障事件期间改变其位置, 或者故障过程中因

36 电弧作用而形成的等离子体路径, 会形成导通路径 因此, 如果必须实现超过功能性绝缘 的绝缘要求, 必须在外部附加额外的绝缘屏障 关于在电源模块内部使用 NTC 的更多信息, 请参阅参考资料 [4] 6.2 杂散电感 L S 在开关瞬态过程中, 杂散电感会引起瞬态电压, 是主要的 EMI 噪声源 此外, 与元件的寄 生电容共同作用, 杂散电感会形成谐振电路, 从而在开关瞬态过程中, 导致电压和电流振 铃 可以利用如下等式, 计算出杂散电感引起的瞬态电压 : (20) 因此, 为了降低关断瞬态过程中发生的电压过冲, 必须最大限度地降低寄生电感 图 31 所 示为电源模块杂散电感的简化等效电路 电源模块的杂散电感是电源端子之间的每一相桥 臂的杂散电感之和 ( 请参见等式 (21)) (21) 由于实际的电源模块并非理想对称, 因此, 测量了各相桥臂的杂散电感, 并在数据表中标 示了最大值 ( 请参见图 32)

37 图 31 6 单元配置模块的等效电路及寄生电感 电源端子以及二极管和 IGBT 之间的杂散电 感已被简化 图 32 模块的杂散电感 ( 摘自数据表 ) 6.3 模块电阻 R CC +EE 模块的引线电阻进一步加剧了电压降和功率损耗 数据表中规定的值, 是一个开关的电源 端子之间的引线电阻 ( 图 33) 按照图 34 所示等效电路, 电源模块的引线电阻被定义为 : (22) 图 33 电源模块引线电阻 ( 摘自数据表 )

38 图 34 电源模块引线电阻的等效电路 6.4 冷却回路 所规定的冷却回路中的压力降低值, 是设计冷却系统时要考虑的重要参数 ( 请参见图 35) 由于采用了数据表中规定的冷却器, 因此, 这个压力降低值, 是在典型冷却条件下的值 ( 请 参见图 36) 如图 35 所示, 绝不可超过所规定的冷却回路中的最高压力, 即使是在试验过程中! 超过这 个最高压力, 可能弯曲基板, 其风险是导致冷却回路发生泄漏 图 35 冷却回路中的压力降低和最高压力 ( 摘自数据表 )

39 图 36 用于标示热性能和冷却回路中的压力降低的冷却器 ( 摘自数据表 ) 6.5 安装扭矩 M 数据表中规定了对电源模块进行机械安装和电气接线所使用的扭矩 ( 请参见图 37) 对于 确保以适当的夹紧力, 将电源模块安装到散热器上, 以及确保可靠地实现母线排与电源模 块的电气连接, 这些值很重要 关于安装过程的详细信息和建议, 请参阅参考资料 [6] 图 37 安装扭矩要求 ( 摘自数据表 ) 7 参考资料 如需查阅所参考的应用笔记, 请访问

40 [1] 英飞凌应用笔记 AP99007 Deadtime calculation for IGBT modules [2] 英飞凌应用笔记 Thermal modeling of power-electronic systems [3] 英飞凌应用笔记 AN Definition of junction temperature [4] 英飞凌应用笔记 AN Using the NTC inside a power electronic module [5] 英飞凌应用笔记 ANIP9931E Calculation of major IGBT operating parameters [6] 英飞凌应用笔记 AN Mounting instructions for HybridPACK 2 module 英飞凌科技股份公司印制

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