英飞凌IGBT芯片技术及选型&影响IGBT模块选型的几大产品参数及选型


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  IGBT是一种十分重要的电力电子器件。它既有功率MOSFET驱动功率小、开关频率高的优点,又有大功率晶体管导通电压低、通态电流大的优点。它在任何时刻可关断通态电流,避免了普通晶闸管在一个半波内只能导通不能关断的弱点。在电力电子领域是一个十分有发展前途的大功率半导体器件。

  IGBT这种新型功率半导体器件又称绝缘栅双极型晶体管,是功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品,广泛应用于轨道交通、航空航天、船舶驱动、智能电网、新能源、交流变频、风力发电、电机传动、汽车等强电控制等产业领域。它问世近三十年,已做到12吋硅晶片、6500伏的高水平。

 

“薄如蝉翼”的IGBT芯片

  IGBT芯片发展趋势是:薄片工艺,主要是减少热阻,减小衬底电阻从而减小通态损耗[9];小管芯,主要是提高器件的电流密度,15年来管芯的 面积减少了2/3;大硅片,硅片由5英寸变为12英寸,面积增加了5.76倍,折算后每颗芯粒的成本可以大大的降低。
  Infineon英飞凌专注于迎接现代社会的三大科技挑战: 高能效、 移动性和 安全性,为汽车和工业功率器件、芯片和安全应用提供半导体和系统解决方案。英飞凌的产品素以高可靠性、卓越质量和创新性著称。

英飞凌分别针对小、中、大功率应用而设计的三种IGBT4芯片

  英飞凌IGBT4芯片技术:
  基于沟槽栅+场终止结构,1200V和1700V;
  1200V三种类型:小功率T4、中功率E4、大功率P4;
  1700V两种类型:中功率E4、大功率P4;
  P4实现软关断特性的明显提升,关断时电压尖峰小,无振荡;
  T4和E4提高关断速度,开关频率较高时输出能力优于T3和E3;
  配用反向恢复特性更"软"的EmCon4续流二极管;
  饱和电压正温度系数,10 μs短路承受时间不变。
 
  英飞凌IGBT芯片选型


VCES:集电极-发射极阻断电压
  在可使用的结温范围内栅极-发射极短路状态下,允许的断态集电极-发射极最高电压。手册里VCES是规定在25°C结温条件下,随着结温的降低VCES也会有所降低。
 
  Ptot:最大允许功耗
  在Tc=25°C条件下,每个IGBT开关的最大允许功率损耗,及通过结到壳的热阻所允许的最大耗散功率。
 
  IC nom:集电极直流电流
  在可使用的结温范围内流过集电极-发射极的最大直流电流。根据最大耗散功率的定义,可以由Ptot的公式计算最大允许集电极电流。因而为了给出一个模块的额定电流,必须指定对应的结和外壳的温度。请注意,没有规定温度条件下的额定电流是没有意义的。
 
  ICRM:可重复的集电极峰值电流
  最大允许的集电极峰值电流(Tj≤150°C),IGBT在短时间内可以超过额定电流。手册里定义为规定的脉冲条件下可重复集电极峰值电流,如下图所示。理论上,如果定义了过电流持续时间,该值可由允许耗散功耗及瞬时热阻Zth计算获得。然而这个理论值并没有考虑到绑定线、母排、电气连接器的限制。因此,数据手册的值相比较理论计算值很低,但是,它是综合考虑功率模块的实际限制规定的安全工作区。
 
  RBSOA:反偏安全工作区
  该参数描述了功率模块的IGBT在关断时的安全工作条件。如果工作期间允许的最大结温不被超过,IGBT芯片在规定的阻断电压下可驱使两倍的额定电流。由于模块内部杂散电感,模块安全工作区被限定,如下图所示。随着交换电流的增加,允许的集电极-发射极电压需要降额。此外,电压的降额很大程度上依赖于系统的相关参数,诸如DC-Link的杂散电感以及开关转换过程换流速度。对于该安全工作区,假定采用理想的DC-Link电容器,换流速度为规定的栅极电阻及栅极驱动电压条件下获得。
 
  Isc:短路电流
  短路电流为典型值,在应用中,短路时间不能超过10uS。IGBT的短路特性是在最大允许运行结温下测得。
 
  VCEsat:集电极-发射极饱和电压
  规定条件下,流过指定的集电极电流时集电极与发射极电压的饱和值(IGBT在导通状态下的电压降)。手册的VCEsat值是在额定电流条件下获得,给出了Tj在25oC及125oC的值。英飞凌的IGBT都具有正温度效应,适宜于并联。手册的VCEsat值完全为芯片级,不包含导线电阻。
 
  其他影响IGBT模块选型的因素
  要确定主电路拓扑结构,这个和IGBT选型密切相关,引线方式、结构也会给IGBT选型提出要求,再就是考虑性价比和供货。
  热阻是指一定的模块耗散功率下,带来的模块内部芯片结温相对模块壳温的上升情况,反映模块的散热能力,也是一个重要的参数。拓扑结构就是模块里面的各个芯片之间的电路连接关系,是封装形式的一部分,封装形式还包括封装外形,是34mm还是62mm还是别的外形。
  当没有产品手册从产品型号判定其基本参数的方法
  英飞凌IGBT模块型号代表如下图

英飞凌IGBT模块选型参考

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