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如何根据应用条件选择HVIGBT
如何根据应用条件选择HVIGBT
1、HVIGBT 的主要性能指标
作为一款品质优秀的HVIGBT，有三个方面的因素在HVIGBT设计初期就会重点考虑，并且在设计中加以平衡以满足不同客户的需求，这三个因素如图1所示，包括产品的功率损耗、鲁棒性以及工作寿命。所以，当客户选择HVIGBT的时候，这三个因素都要认真地加以考虑，而不是顾及功率损耗这一个基本因素。
图1 HVIGBT主要性能指标
2. HVIGBT 的选择
2.1. 功率损耗
HVIGBT作为一种开关器件，其损耗主要包括内部IGBT及反并联二极管（FWD）两部分，而IGBT和反并联二极管的损耗又可以分为导通损耗和开关损耗，如图2所示：
图2 HVIGBT的功率损耗组成
大多数HVIGBT的制造商都为客户提供了功率损耗的计算方法，如图3所示，直接利用公式进行计算、根据测量的波形结果读出和利用仿真软件进行计算是目前常用的几种方法。
公式计算方法中部分参数定义：
通过以上的计算可以得出HVIGBT的总损耗(PT)，根据器件规格书给出的热阻参数(Rth)，就可以根据公式1计算出HVIGBT的硅片温升(ΔTj)，从而判断器件的选择是否合适。
ΔTj = PT* Rth (1)
HVIGBT在设计的过程中充分地考虑到了用户在不同场合的需求，因此即使相同功率等级的HVIGBT在具体参数上也会有不同。以功率损耗来说，HVIGBT的导通损耗和开关损耗就存在着折衷关系，在开关频率比较高的场合，HVIGBT在设计中会重点降低器件的开关损耗，而在开关频率比较低的场合，HVIGBT在设计过程中会重点降低器件的导通损耗；其关系如图4所示。
因此，客户在选择HVIGBT之前一定要确认自己的实际应用条件，比如在MMC结构的直流输电应用中，因为器件的开关频率比较低，因此导通损耗为损耗的主要部分，客户在选择HVIGBT时，最好选择饱和压降比较低的产品。
图4 HVIGBT的 Vce(sat)与Eoff 之间的折衷关系
2.2. 鲁棒性
对HVIGBT来说，好的鲁棒性意味着HVIGBT要具有宽泛的安全工作区(SOA)，包括短路安全工作区(SCSOA)，反偏安全工作区(RBSOA)以及二极管的反向恢复安全工作区(RRSOA)。产品的规格书中会给出这些安全工作区的图表，如图5所示，给出了某款4500V/1200A HVIGBT的三个安全工作区曲线。
图5 安全工作区示例图（4500V/1200A HVIGBT）
当客户选择HVIGBT的时候，应该首先确认自己要设计的装置的安全工作区，即系统安全工作区（SSOA-System Safe Operating Area），以确保器件的安全工作区覆盖系统安全工作区，并留有足够的安全裕度。系统安全工作区与器件的安全工作区之间的关系可以用图6来描述。
图6 安全工作区关系示例（3300V/1500A HVIGBT）
为了确保所选择的HVIGBT是合适的，对HVIGBT按照最严酷的实际条件进行测试非常重要，根据测得的开通和关断等波形来判断HVIGBT是否工作在安全工作区内。
如果测试的结果超出了安全工作区，就要选用具有更宽安全工作区的模块，或者采用一些措施来使HVIGBT的工作不超出安全工作区。例如，如果HVIGBT在关断时刻的峰值电压超出了安全工作区，我们可以在设计的过程中将直流母排的杂散电感控制的小一些，这样可以有效地抑制HVIGBT关断时刻的电压尖峰，其效果如图7所示。
2.3 工作寿命
HVIGBT的工作寿命包括功率循环寿命和热循环寿命。功率循环寿命取决于HVIGBT内部硅片和绑定线之间的焊接点的寿命；热循环寿命取决于HVIGBT绝缘基板与散热基板之间的焊接点的寿命；其位置关系如图8所示。在HVIGBT工作的过程中，这些焊接点的温度会发生变化，进而影响焊接点的寿命。
图9和10为HVIGBT的厂家提供的功率循环次数和热循环次数与温度变化之间的关系，可见，功率循环次数与硅片的温度变化（⊿Tj）有关，而热循环次数与散热基板的温度变化（⊿Tc）有关，温度变化幅度越大，HVIGBT的工作寿命越短。因此，在条件允许时，在设计过程中要尽可能减小HVIGBT的温升及温度波动范围。
在设计阶段，我们也可以根据实际的工作条件来对HVIGBT的工作寿命做一下估算。雨流算法是在对HVIGBT工作寿命进行估算时常用的方法之一，其主要步骤如下：
(一)在HVIGBT的工作过程中存在着不同大小的温度波动，在估算工作寿命的时候，选择温度波动范围较大的几个波峰，按温度波动幅度大小分别记为⊿Ti(i=1,2,3)，如图11所示；
(二)根据HVIGBT厂家提供的功率循环曲线或者热循环曲线读出不同温度波动所对应的循环次数，记为Ni(i=1,2,3)；
(三)确认在一个固定的工作周期(记为t)内温度波动⊿Ti(i=1,2,3)出现的次数，记为ni(i=1,2,3)；周期t的单位可以是小时、天、周、月或年，如图12所示；
(四)最后，将统计的结果代入公式1，计算出的N值即为HVIGBT可以承受的工作周期数；
(五)最终，HVIGBT模块的应用寿命可以估算为Nt，单位与工作周期t一致。
3、结论
综上，在选择HVIGBT的时候，功率损耗、鲁棒性及工作寿命都要加以考虑。在计算功率损耗的时候，要注意HVIGBT的结温不要超过器件厂家规定的最高工作结温，并留有一定的裕度；在考虑鲁棒性的时候，要确保器件的安全工作区一定要覆盖装置的安全工作区；在利用雨流算法估算HVIGBT工作寿命的时候，温度波动幅值的选择及出现的频率需要经过仔细的确认，有时候需要模拟实际工况进行测算，这样才能保证工作寿命估算的准确性。
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