IGBT模塊使用溫度范圍

1. 溫度范圍

IGBT模塊的運(yùn)行溫度范圍是非常重要的參數(shù)。一些設(shè)備要求工作在室溫下，而另一些設(shè)備要求工作在很寬的溫度范圍內(nèi)(如-40℃~+65℃)。溫度和散熱對(duì)于系統(tǒng)的可靠和有效運(yùn)行非常重要。如果實(shí)際要求IGBT模塊工作的電源系統(tǒng)工作在寬溫度范圍內(nèi)，也要保證電源系統(tǒng)中的所有功率器件在寬溫度范圍內(nèi)可靠地工作。為達(dá)到這一目的和最大限度地減少成本，應(yīng)仔細(xì)估算在兩個(gè)極端溫度點(diǎn)處是否需要達(dá)到完全的性能指標(biāo)。實(shí)際上，在極端溫度點(diǎn)處對(duì)IGBT模塊的要求越低，構(gòu)成系統(tǒng)就可以越經(jīng)濟(jì)。

一些設(shè)備要求在很低溫度下運(yùn)行時(shí)性能不能打一點(diǎn)折扣，這時(shí)系統(tǒng)應(yīng)能滿足所有參數(shù)要求。如果有些特性可以降低要求，構(gòu)成系統(tǒng)的成本將顯著降低。降低系統(tǒng)在低溫時(shí)對(duì)非關(guān)鍵參數(shù)的要求對(duì)降低模塊成本有益。在實(shí)際應(yīng)用中，如果規(guī)定模塊可以在最低溫度下啟動(dòng)和在較高一些溫度下完全達(dá)到性能指標(biāo)是根有必要的。

如果要求在高溫環(huán)境下工作，一般IGBT模塊在高于一定溫度值時(shí)其功率額定值會(huì)降低，即在溫升20℃時(shí)輸出功率減少30%。在實(shí)際應(yīng)用中，通常的工作環(huán)境溫度會(huì)因氣候的變化和系統(tǒng)運(yùn)行條件的變化而變化。模塊一般不會(huì)在其指定的最高環(huán)境溫度條件下持續(xù)運(yùn)行相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間。如果模塊限制的溫度控制適當(dāng)，就能在大多數(shù)運(yùn)行情況下，只對(duì)模塊在最高環(huán)境溫度下的容量作限制，使模塊的功率最大化(特別是當(dāng)模塊的輸入電壓偏向下限時(shí))。如果要限制模塊的輸出容量以滿足在最高環(huán)境溫度下能在正常的功率范圍內(nèi)安全運(yùn)行，則可在模塊內(nèi)安裝適合的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，在較低溫的條件下可自動(dòng)提供更大的功率。

如果模塊的溫度與限流性能相關(guān)聯(lián)，那會(huì)帶來非常顯著的益處。這一特征也可和部分恒功率特性組合起來，這樣就可以盡可能地發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)要注意的是，在高溫時(shí)帶溫度限流的模塊由于輸入電壓使得功率損耗變化，系統(tǒng)在標(biāo)稱電壓左右工作時(shí)比在最小輸入電壓下工作時(shí)能提供更大的電流容量。

2.改善使用環(huán)境，降低功率器件的環(huán)境溫度

功率器件的可靠性和使用環(huán)境有著極為密切的關(guān)系，功率器件的失效率在不同的使用環(huán)境中和其基本失效率差別很大，通常應(yīng)以環(huán)境系數(shù)進(jìn)行修正。美國(guó)于20世紀(jì)70年代公布了不同功率器件的環(huán)境系數(shù)數(shù)值。原有9種環(huán)境條件，現(xiàn)只列出較常用和有代表性的4種。

GB：良好地面環(huán)境，環(huán)境引力接近于“0”，工程操作和維護(hù)良好。

GF：地面固定式的使用環(huán)境。裝在永久性機(jī)架上，有足夠的通風(fēng)冷卻。由專業(yè)人員維修，通常在不熱的建筑內(nèi)安裝。

NS：艦船艙內(nèi)環(huán)境。水面艦船條件，類似于GF，但要受偶然劇烈的沖擊震動(dòng)。

GM：地面移動(dòng)式和便攜式的環(huán)境。劣于地面固定式的條件，主要是沖擊震動(dòng)。通風(fēng)冷卻可能受限制，只能進(jìn)行簡(jiǎn)易維修。

使用環(huán)境對(duì)功率器件的失效率影響極大，GM和GB相比失效率要高出4-10倍。環(huán)境條件的改善往往受使用場(chǎng)合的限制。在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中比較容易做得到的就是重視和盡量加強(qiáng)通風(fēng)冷卻。過高的環(huán)境溫度對(duì)功率器件的可靠性非常有害。

功率器件以PD/PR=0.5設(shè)計(jì)(PD為使用功率，PR為額定功率)，則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響見下表。

加強(qiáng)通風(fēng)冷卻十分有益于功率器件可靠性的提高。國(guó)內(nèi)有些部門要求系統(tǒng)有很高的可靠性，又明令不許使用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻。結(jié)果是不僅設(shè)備成本提高，可靠性也難以真正保證，人為地造成丁許多問題。其實(shí)，現(xiàn)在優(yōu)質(zhì)的風(fēng)扇可以保證5000-6000h的使用壽命(相當(dāng)于連續(xù)運(yùn)行6年以上)，更換風(fēng)扇比其他部件的維修也省力省時(shí)得多。只要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件中規(guī)定風(fēng)扇即使不工作，設(shè)備依然可以長(zhǎng)期正常運(yùn)行，那么加強(qiáng)通風(fēng)冷卻絕對(duì)有利于可靠性的提高。

3.減小功率器件的負(fù)荷率是改善失效率的捷徑

功率器件實(shí)際工作中的負(fù)荷率和失效率之間存在著直接關(guān)系，因此功率器件的類型、數(shù)值確定以后，應(yīng)從可靠性的角度來選擇功率器件必須滿足的額定值，如額定功率、額定電壓、額定電流等。功率器件在環(huán)境溫度ta =50℃時(shí)，PD/PR對(duì)失效率的影響見下表。

由表可知，當(dāng)PD/PR=0.5時(shí)，失效率比0.2時(shí)增加了1000倍以上。

審核編輯：湯梓紅