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IGBT晶閘管模塊受溫度的影響產(chǎn)生的變化
相信搞驅(qū)動(dòng)的朋友一定對IGBT器件不陌生，IGBT為絕緣柵型晶體管，綜合了GTR（電力晶體管）和MOSFET（電力場效應(yīng)晶體管）的優(yōu)點(diǎn)，是常用的典型全控型電力電子器件，常用在變頻器的整流和逆變單元中。下面我們來看看溫度對它的影響。
溫度的影響
下圖1是IGBT模塊的內(nèi)部設(shè)計(jì)和在周期性交變電流負(fù)載時(shí)IGBT芯片、基板和散熱片的溫度特性曲線。
圖1 IGBT在周期性交變電流負(fù)載時(shí)的溫度特性
igbt.jpg
根據(jù)圖1，溫度對IGBT模塊的影響如下：
淺談溫度對IGBT的影響
①由于IGBT的機(jī)械設(shè)計(jì)使用了幾層不同的材料，在產(chǎn)生熱損的IGBT芯片和基板之間有相對較高的熱阻，該熱量通過IGBT基板傳送到功率模塊上的散熱器中被吸收。因此，在周期性交變電流負(fù)載時(shí)在IGBT芯片中有很大的溫度的波動(dòng)，而基板和散熱器的溫度卻相對恒定。在一定運(yùn)行條件下可能會有很高的溫度波動(dòng)ΔTChip，以至于IGBT模塊承受很高的熱應(yīng)力，進(jìn)而大大縮短使用壽命。
②在實(shí)際的運(yùn)行中，帶有IGBT的變頻器運(yùn)行于低頻高輸出電流時(shí)（典型的周期性交變電流負(fù)載），低頻運(yùn)行時(shí)，當(dāng)輸出電流處于正半周，則很長的一段時(shí)間內(nèi)輸出電流只流過連接DC正母線的IGBT，所以該IGBT的芯片溫度持續(xù)升高，而連接DC負(fù)母線的IGBT芯片則被冷卻。但在輸出電流的負(fù)半周時(shí)，情況則相反。在這種運(yùn)行條件下，即使輸出電流的有效值保持不變，隨著輸出頻率變化，電流負(fù)載在IGBT芯片上的交替變化，也造成了很高的芯片溫度TChip和很高的溫度波動(dòng)ΔTChip。所以，IGBT允許的溫度周期的數(shù)量是有限的，與溫度波動(dòng)ΔTChip的升高成比例地減少。因此，IGBT的壽命也隨著溫度波動(dòng)ΔTChip的升高而減小。
專家的建議
保證IGBT模塊的正確運(yùn)行，首先要避免由于過高的芯片溫度TChip造成IGBT的瞬時(shí)致命損壞，還要避免由于過高的溫度波動(dòng)ΔTChip縮短IGBT壽命，具體需求條件為以下兩點(diǎn)：
·IGBT的絕對芯片溫度TChip必須不能超過允許的最大極限值。在任何運(yùn)行條件下都必須滿足這個(gè)條件，以保護(hù)IGBT芯片不會因?yàn)闇囟冗^高而造成瞬時(shí)致命損壞。在SINAMICS變頻器中，溫度監(jiān)視模型在IGBT達(dá)到允許極限溫度時(shí)會觸發(fā)一個(gè)過載反應(yīng)，可以可靠的避免由于過高的芯片溫度造成的損壞，但是在配置階段必須采取措施保證在正常的運(yùn)行模式下驅(qū)動(dòng)不會觸發(fā)該保護(hù)機(jī)制。
·IGBT的溫度波動(dòng)ΔTChip必須不能超過所允許的極限值，或者只占整個(gè)運(yùn)行時(shí)間很小的一部分。為防止嚴(yán)重縮短IGBT的使用壽命，必須滿足此條件。溫度模型不能監(jiān)視溫度的波動(dòng)，所以在配置階段必須采取措施來保證IGBT的溫度波動(dòng)不超過IGBT所允許的溫度波動(dòng)范圍，或者只占整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的很少一部分（<2%），即短時(shí)間內(nèi)超過所允許的極限值，例如在驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，如果這些運(yùn)行條件小于整個(gè)變頻器運(yùn)行時(shí)間的2%，是可以接受的。
信息來源：西門子中國
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溫度的影響
下圖1是IGBT模塊的內(nèi)部設(shè)計(jì)和在周期性交變電流負(fù)載時(shí)IGBT芯片、基板和散熱片的溫度特性曲線。
圖1 IGBT在周期性交變電流負(fù)載時(shí)的溫度特性
igbt.jpg
根據(jù)圖1，溫度對IGBT模塊的影響如下：
淺談溫度對IGBT的影響
①由于IGBT的機(jī)械設(shè)計(jì)使用了幾層不同的材料，在產(chǎn)生熱損的IGBT芯片和基板之間有相對較高的熱阻，該熱量通過IGBT基板傳送到功率模塊上的散熱器中被吸收。因此，在周期性交變電流負(fù)載時(shí)在IGBT芯片中有很大的溫度的波動(dòng)，而基板和散熱器的溫度卻相對恒定。在一定運(yùn)行條件下可能會有很高的溫度波動(dòng)ΔTChip，以至于IGBT模塊承受很高的熱應(yīng)力，進(jìn)而大大縮短使用壽命。
②在實(shí)際的運(yùn)行中，帶有IGBT的變頻器運(yùn)行于低頻高輸出電流時(shí)（典型的周期性交變電流負(fù)載），低頻運(yùn)行時(shí)，當(dāng)輸出電流處于正半周，則很長的一段時(shí)間內(nèi)輸出電流只流過連接DC正母線的IGBT，所以該IGBT的芯片溫度持續(xù)升高，而連接DC負(fù)母線的IGBT芯片則被冷卻。但在輸出電流的負(fù)半周時(shí)，情況則相反。在這種運(yùn)行條件下，即使輸出電流的有效值保持不變，隨著輸出頻率變化，電流負(fù)載在IGBT芯片上的交替變化，也造成了很高的芯片溫度TChip和很高的溫度波動(dòng)ΔTChip。所以，IGBT允許的溫度周期的數(shù)量是有限的，與溫度波動(dòng)ΔTChip的升高成比例地減少。因此，IGBT的壽命也隨著溫度波動(dòng)ΔTChip的升高而減小。
專家的建議
保證IGBT模塊的正確運(yùn)行，首先要避免由于過高的芯片溫度TChip造成IGBT的瞬時(shí)致命損壞，還要避免由于過高的溫度波動(dòng)ΔTChip縮短IGBT壽命，具體需求條件為以下兩點(diǎn)：
·IGBT的絕對芯片溫度TChip必須不能超過允許的最大極限值。在任何運(yùn)行條件下都必須滿足這個(gè)條件，以保護(hù)IGBT芯片不會因?yàn)闇囟冗^高而造成瞬時(shí)致命損壞。在SINAMICS變頻器中，溫度監(jiān)視模型在IGBT達(dá)到允許極限溫度時(shí)會觸發(fā)一個(gè)過載反應(yīng)，可以可靠的避免由于過高的芯片溫度造成的損壞，但是在配置階段必須采取措施保證在正常的運(yùn)行模式下驅(qū)動(dòng)不會觸發(fā)該保護(hù)機(jī)制。
·IGBT的溫度波動(dòng)ΔTChip必須不能超過所允許的極限值，或者只占整個(gè)運(yùn)行時(shí)間很小的一部分。為防止嚴(yán)重縮短IGBT的使用壽命，必須滿足此條件。溫度模型不能監(jiān)視溫度的波動(dòng)，所以在配置階段必須采取措施來保證IGBT的溫度波動(dòng)不超過IGBT所允許的溫度波動(dòng)范圍，或者只占整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的很少一部分（<2%），即短時(shí)間內(nèi)超過所允許的極限值，例如在驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，如果這些運(yùn)行條件小于整個(gè)變頻器運(yùn)行時(shí)間的2%，是可以接受的。
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