<p><em>作者：陈子颖，来源：<a href="https://mp.weixin.qq.com/s/V1aqiMCGhgUcSsCEEbrptA">英飞凌工业半导体</a></em></p…;
<p>IGBT的电流是器件基本参数之一，显而易见FS450R12KE4就是450A 1200V IGBT模块。这样的理解对于日常工作交流来说是足够了，但对于一位设计工程师是远远不够的，而且业内充满着误解和流言。</p>
<p><strong>流言一：450A IGBT模块最大输出电流能力是450A，系统设计中需要留足够的余量</strong></p>
<p>450A是FS450R12KE4的标称电流。那么什么是标称电流？为了搞清楚这一问题最好的办法是寻根问祖，从英飞凌芯片的数据手册发掘线索。</p>
<p>找到FS450R12KE4内部IGBT芯片IGC142T120T8RM的数据手册，奇怪的是芯片型号上没有电流信息，142并不是芯片电流，而是芯片的面积，其单位是平方毫米。而且数据手册中也没有给出芯片集电极直流电流，数值留白，注释中说明，该值受最大虚拟结温Tvjmax限制，并取决于装配的热性能，装配包括IGBT产品封装和系统热设计。</p>
<p><img alt="TRENCHSTOP™ IGBT4 IGC142T120T8RM数据手册截图" data-entity-type="file" data-entity-uuid="826c4988-412e-467b-b00d-05c28b59edea" src="/sites/default/files/inline-images/%E8%A1%A81%EF%BC%9ATRENCHSTOP%E2%84%A2%20IGBT4%20IGC142T120T8RM%E6%95%B0%E6%8D%AE%E6%89%8B%E5%86%8C%E6%88%AA%E5%9B%BE.png" /></p>
<p>表1：TRENCHSTOP™ IGBT4 IGC142T120T8RM数据手册截图</p>
<p>虽然芯片数据手册首页上确实给出了Icn=150A，但明确说明这是应用案例FS450R12KE4 EconoPACK™+模块，在TC=100°C时，封装在这一功率模块中，此时芯片的标称集电极电流。</p>
<p><img alt="表2：TRENCHSTOP™ IGBT4 IGC142T120T8RM数据手册截图" data-entity-type="file" data-entity-uuid="1740909a-2f30-4fee-9a0f-6dc604485118" src="/sites/default/files/inline-images/%E8%A1%A82%EF%BC%9ATRENCHSTOP%E2%84%A2%20IGBT4%20IGC142T120T8RM%E6%95%B0%E6%8D%AE%E6%89%8B%E5%86%8C%E6%88%AA%E5%9B%BE.png" /></p>
<p>表2：TRENCHSTOP™ IGBT4 IGC142T120T8RM数据手册截图</p>
<p><img alt="数据手册中的注释" data-entity-type="file" data-entity-uuid="8b45799b-99bb-42d0-8bab-3db4521b13e1" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1%EF%BC%9A%E6%95%B0%E6%8D%AE%E6%89%8B%E5%86%8C%E4%B8%AD%E7%9A%84%E6%B3%A8%E9%87%8A.png" /></p>
<p>数据手册中的注释</p>
<p>由此我们可以得出结论：</p>
<p><strong>结论一：IGBT芯片的集电极直流电流取决于散热，最高虚拟结温不要超过Tvjmax限制。</strong></p>
<p>基于结论一，我们应该去研究模块的数据手册，在模块的数据手册上可以读到，连续集电极直流电流与壳温有关，准确说连续集电极直流电流是在给定的壳温下定义的，这可以猜想这一电流与直流下的损耗、结到壳的热阻有关。</p>
<p><img alt="FS450R12KE4 EconoPACK™+模块数据手册截图" data-entity-type="file" data-entity-uuid="21f6e6ad-2f53-4f51-bb9b-842590ded452" src="/sites/default/files/inline-images/%E8%A1%A83%EF%BC%9AFS450R12KE4%20EconoPACK%E2%84%A2%2B%E6%A8%A1%E5%9D%97%E6%95%B0%E6%8D%AE%E6%89%8B%E5%86%8C%E6%88%AA%E5%9B%BE.png" /></p>
<p>表3：FS450R12KE4 EconoPACK™+模块数据手册截图</p>
<p>定义：</p>
<p><img alt="定义" data-entity-type="file" data-entity-uuid="b29a8dac-3855-459f-9ce9-08c181bb74b5" src="/sites/default/files/inline-images/%E4%BB%A3%E7%A0%811_4.png" /></p>
<p>按照FS450R12KE4数据手册，研究一下：</p>
<p><img alt="FS450R12KE4数据手册" data-entity-type="file" data-entity-uuid="590e75bc-fc94-49b7-9a9b-1283b54015c0" src="/sites/default/files/inline-images/%E4%BB%A3%E7%A0%812_4.png" /></p>
<p>这样算出来只有160oC，你可能会想不是说好按照175oC定义的吗？这样连续集电极直流电流不是可以更大？不完全对，这里还需要考虑其它因素。</p>
<p><strong>流言二：450A IGBT模块峰值电流能力是450A，输出有效值电流远小于450A</strong></p>
<p>这就要研究IGBT的脉冲电流能力，我们还是从芯片出发。在表1，IGBT4 IGC142T120T8RM数据手册中可以找到集电极脉冲电流450A，但脉冲宽度受限于最高虚拟结温Tvjmax，这里有个说明，这是设计值并通过了设计验证，生产中不作测试。这是因为芯片没有散热系统因而无法测试芯片的电流能力。</p>
<p>再看模块，表3，FS450R12KE4 EconoPACK™+模块数据手册截图，其中明确给出了集电极重复峰值电流ICRM=900A，2倍于模块100度管壳温度下的连续集电极直流电流，即标称电流450A。</p>
<p>同时在图表中给出了反偏安全工作区RBSOA，这代表IGBT关断电流能力，就是说英飞凌的IGBT模块可以可靠关断2倍于自己的标称电流，这一重要参数在出厂检验中100%测试。</p>
<p><strong>结论二：450A IGBT模块在散热足够好的设计中，可以承受一定脉冲宽度的900A重复峰值电流，并可靠关断，设计原则最高工作结温不超过150℃。</strong></p>
<p><strong>流言三：在系统设计中，超过器件标称电流，可靠性降低，只能过载时偶尔为之。</strong></p>
<p>我们来看一个反例：家用单端电磁炉采用准谐振电路。</p>
<p><img alt="电磁炉原理图" data-entity-type="file" data-entity-uuid="d7e212e8-4a3d-4baf-b8ad-f23898d1a154" src="/sites/default/files/inline-images/%E7%94%B5%E7%A3%81%E7%82%89%E5%8E%9F%E7%90%86%E5%9B%BE.png" /></p>
<p>图1：电磁炉原理图</p>
<p>2200W电磁炉一般采用20A IGBT，譬如IHW20N120R5逆导型IGBT单管。从表4中看出：其集电极直流电流在管壳温度100度时为20A，集电极脉冲电流为60A，这一单管的集电极脉冲电流和RBSOA为标称电流的3倍。</p>
<p><img alt="IHW20N120R5逆导型IGBT单管数据手册截图" data-entity-type="file" data-entity-uuid="21808c5a-d65c-4797-9ec8-8b0311ca8b16" src="/sites/default/files/inline-images/%E8%A1%A84%EF%BC%9AIHW20N120R5%E9%80%86%E5%AF%BC%E5%9E%8BIGBT%E5%8D%95%E7%AE%A1%E6%95%B0%E6%8D%AE%E6%89%8B%E5%86%8C%E6%88%AA%E5%9B%BE.png" /></p>
<p>表4：IHW20N120R5逆导型IGBT单管数据手册截图</p>
<p>由于准谐振电路，IGBT开通时电压很低，但由于谐振电容，脉冲电流很大，将近50A，这时有相当高的开通和导通损耗；关断时是零电压，虽然关断电流高达60A，已经达到RBSOA的极限，但关断损耗并不大。</p>
<p>实际案例系统以23kHz的谐振频率工作，就是说20A IGBT 以23kHz的频率连续关断60A电流，条件是损耗合理，散热足够好，保证结温不超过允许的最高工作结温150度。</p>
<p><img alt="电磁炉准谐振电流电压波形" data-entity-type="file" data-entity-uuid="55eef12a-702a-469d-a71e-05ad4959912a" src="/sites/default/files/inline-images/%E7%94%B5%E7%A3%81%E7%82%89%E5%87%86%E8%B0%90%E6%8C%AF%E7%94%B5%E6%B5%81%E7%94%B5%E5%8E%8B%E6%B3%A2%E5%BD%A2.PNG" /></p>
<p>图2：电磁炉准谐振电流电压波形，电流红色20A/div,电压200V/div</p>
<p><strong>关于IGBT模块的结论：</strong></p>
<p>英飞凌IGBT模块型号上是标称电流，是基于一定的壳温计算得到的集电极直流电流，与实际IGBT开关输出电流并不是一个概念。</p>
<p>系统设计原则一：IGBT的最高工作结温不允许超过最高工作结温。</p>
<p>系统设计原则二：IGBT最大电流取决于脉冲电流能力和反偏安全工作区，也就是IGBT关断电流能力，一般是两倍的标称电流，设计中关断电流不能超过反偏安全工作区，那么系统设计是安全可靠的。</p>