08-IGBT&IPM实用技术-new

IGBT和IPM应用的实用技术

电力电子技术从本质上讲是一种面向具体产品的应用学科，这

里探讨的所有问题最终都应通过试验来加以评价、调整、确认。

选型问题：为应用装置选择合适的模块！

硬件设计问题：提高设计的可靠性！

对故障问题的考虑与处理：故障分析、完善设计

其它：模块保护、散热、并联、规格书

Mitsubishi Electric Corporation

2009 年10 月

8-11. 模块的选型问题

1. 模块的选型问题

Q：计划开发XXkW的产品，选择XXA电流的模块是否合适？

¾与具体应用条件密切相关！

电路结构；控制方式；最恶劣工况下的应用条件：包括Vcc、Icp、fsw(开关频率)、Tf(散热器温度)；等。

Waveform of U phase

U V

W

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8-3

选型判据

•电气特性(V CE , I C )

•热特性

( Tj )

在开关安全工作区内SOA( V CE vs. I C )

T j (max) <150℃

集电极-发射极(C-E)之间电压

Switching SOA

I C(rating)

2×I C(rating)

600V 1200V

i

集电极电流

V ce

Rating of IPM

Max. value

Recommend

V CES I C T j

CES

CC

3

2V V CES

2V V ×=C

(*)CP 2I I ×<*

CP

C I I =C 150(*)j

°C

125(*)j

°=T

功率模块选型判据

直流母线电压与最恶劣工况下通过IGBT 的峰值电压

通过热计算来获得IGBT/FWDi-chip 的最大结温

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模块选型时的寿命考虑：Power-Cycle/Thermal-Cycle

1E+01

1E+02

1E+03

1E+04

1E+05

1E+0610

100

1000

ΔTc [°C]

N u m b e r o f c y c l e [c y c l e ]

AlSiC 基板

Cu 基板

ΔTj

Power Cycle

Thermal Cycle

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Tj

温度.

时间

长时间

(从设备启动到停止)

on

off

Tc

Tj

ΔΤj-c △Tc 短时间(数秒)

Tc

ΔΤj

模块的运行温度

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---900-

--1400

D -D 600D -D 400D -D 300D -6,D 2004,D *1-7,6,D 1504,D *1-7,6100 4 *1-7,675--7,650NFH NFM NF(,A)I C

--D 900-

-D

1400

D S D,S 600D S D,S 400D D D 300D D D 200D D 6,D 150D D 7,6,D 100447,675--7,650NFH NFM NF(,A)I C --D

1000-

-1400

--600--D,S 400--D 300--D 200--D 150--D 100--D 75--50NFH NFM NF(,A)I C 600V

1200V

1700V

7 : 7单元, 6 : 6单元, 4 : 4单元, D :2单元, S : 1单元*1) 高速型F 系列Eoff

V CE(sat)

NF (A)系列

NFM 系列

NFH 系列

目标应用场合

目标应用场合变频器,伺服驱动器, UPS,等( fc : ~15kHz )

逆变焊机, X 射线机等

( fc : ~30kHz )

医疗设备, 感应加热电源等( fc : ~60kHz )

高频应用的扩展

模块选型时的其它考虑：选择合适的模块类型（以IGBT 为例）

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2. 硬件设计问题

2. 硬件设计问题2-1) 主电路构造

主电解电容

V CC

R G

－V GE

母线排

感性负载

P-IGBT

N-IGBT

降低主电路配线电感

高频滤波电容

降低主电路配线电感的母线设计

・10~100A : PCB 安装（导线）

・150~300A : 母线排・400A~1000A : 层叠母线板另：尽可能缩短DC-bus 电容至模块端子的距离---平波电容和吸收电容！

直流母线电感的目标值（供参考）：

・10~50A 的6/7单元模块：200nH ・75~200A 的6/7单元模块：100nH ・50~200A 的2单元模块

：100nH

・300~600A 的2单元模块：50nH ・200~1000A 的1单元模块：50nH

Q ：直流母线设计应注意些什么？

用于大容量逆变电路主电路的叠层母线设计示意图

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2-2) 吸收回路构造①

②

③

电路结构选择：

总体上讲如下：

・10~100A : 电路①或②

・150~300A : 电路②（每一桥臂）・400A~1000A : 电路③

在良好的直流母线设计条件下，根据模块内置的IGBT 单元数，可做如下选择：・10~200A 的6和7单元模块: 在整个模块的P-N 之间加吸收电容（电路①）

・50~600A 的2单元模块: 在每个2单元模块的C1-E2之间加吸收电容（电路①）・200~1000A 的1单元模块: 每个桥臂加电路③和①

备注：

-实际上，吸收电路结构不是一成不变的，根据直流母线电感大小，上述选择可能会有所变化，如大电流的2单元模块也可能需要加电路③；

-1200V/200~450A 和600V/450~600A 的L-系列IPM 最好按2单元模块来考虑（给每个桥臂加电路①）。

Q ：选择什么样的吸收电路以及多大的吸收电容比较合适？

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吸收电路参数选择：

-吸收电容大小与直流母线电感密切相关！（当然也与IGBT 模块自身的

di/dt 有关）

L M : Inductance for main wiring V CC : Bus voltage

L S : Inductance for snubber circuit C S : Snubber capacitor R S : Snubber resistor

V F(tr): Forward recovery voltage of D S V CEP2

: Peak voltage of C S

V CEP1= V CC + V F(tr)+ L S ・di / dt

1/2 ・L S ・( I OFF )2= 1/2 ・C S ・( V CEP2–V CC )2C S = L M ・( I OFF )2／( V CEP2–V CC )2R S ≦1/6 ・C S ・f Snubber loss

P RS = L M ・( I OFF )2・f ／2

实际上，这仅能作为估算结果供参考，最终还需通过试验测试来确认是否合适！

光耦

原边副边

PCB上原副边之间的走线无交叉・连接线越短越好

・使用双绞线

・光纤(Wireless)

・连到辅助端子

另：

上下臂驱动电路

的间距应足够！

Q：在IGBT/IPM栅极控制信号上有噪音是怎么回事？IGBT：

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Vcin

Fo

Vcc

GND

1.5K

高速ＰＣ

15V 控制电源

Ｒin 20K

Ｃ110u～68u Ｃp

0.1u～1u

低速ＰＣ

ＩＰＭ

100pF

IPM ：

另一问题是要注意电气规范问题：不同电位的布线间距问题

-上桥臂IGBT 的驱动电路地应看作是高电位，需要注意不同桥臂的IGBT 单元之间、同一桥臂的上下臂的IGBT 之间的驱动电路的相互间距问题。

IPM模块PM300CLA060接口电路

模块控制端子

控制信号

4路15V控制电源

开关变压器

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3. 模块故障与分析（以IPM 为例）

3. 模块故障与分析（以IPM 为例）3-1) Fo 故障的分析处理

好的!! ＼(^_^)/不好(x 。x)゜゜゜

Fo 信号的捕捉

没有Fo 脉冲发生

的确存在Fo 脉冲：从脉冲宽度判断是否是OT 保护

检测Fo 发生起始时刻的15V 电压、输出电流或直流母线电流

Q ：出现故障后如何处理？

示波器时间设置：us 级！

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3-2) 模块失效机理

输出级损坏：过流、过热、过压，（桥臂直通）

控制级损坏：过压

内部封装结构损坏：寿命到期

（Power-cycle/Thermal-cycle ）

外封装裂痕：机械应力损坏

短路(死区时间/干扰)异常电流(堵转/失步)

模块容量

散热器大小/安装超短大电流连续冲击

浪涌(DC-bus 线过长)电网干扰

控制级浪涌电压干扰(来自开关电源/PCB 布线)

安装应力过大（或不均匀）

超短大电流连续冲击

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4. 其他

4. 其他4-1) 模块保护问题：

Drive Circuit

SC Protection OC Protection UV Protection

Drive Circuit

SC Protection OC Protection UV Protection 3 phase output

Load (Motor)

I s o l a t i o n ( O p t o c o u p l e r )

CPU

Drive Supply

OT Protection

AC supply

DC link

对于IGBT ：栅极：±18V 稳压管

SC ：<4~5us (current-sensor)

检测Vce(sat)OT: Tc 的测试点是关键

IPM ：内置

IGBT ：参照IPM 内置的保护功能是一种不错的考虑

4-2) 热设计

¾功耗计算：可利用功耗计算仿真软件

¾目标壳温（或散热器温度）

¾确定合适的散热方式：风冷、水冷

（风冷的风道、水冷的管道走向问题）

风向1

风向2

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4-3) 并联问题

¾变频器并联

¾模块直接并联：IGBT 可并联，IPM 不建议并联

各部分均衡是原则：模块自身参数均衡：Vce(sat)、Vth(on)

电路的均衡：驱动、直流母线、负载线散热的均衡

驱动回路

主回路

负载回路

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4-4) 重视装配：生产工艺问题

A ）防静电措施

B

）焊接问题

C ）安装问题：力矩、硅脂

8-20Electrical characteristics Maximum Rating Notes, Conditions etc…Performance curve

for example CM100DY-24NF Layout

4-5) 重视规格书死区时间、SWSOA 和SCSOA 问题！