IGBT模塊使用溫度范圍

1. 溫度范圍

IGBT模塊的運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℃)。溫度和散熱對于系統(tǒng)的可靠和有效運行非常重要。如果實際要求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。為達到這一目的和最大限度地減少成本，應(yīng)仔細估算在兩個極端溫度點處是否需要達到完全的性能指標。實際上，在極端溫度點處對IGBT模塊的要求越低，構(gòu)成系統(tǒng)就可以越經(jīng)濟。

一些設(shè)備要求在很低溫度下運行時性能不能打一點折扣，這時系統(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)在低溫時對非關(guān)鍵參數(shù)的要求對降低模塊成本有益。在實際應(yīng)用中，如果規(guī)定模塊可以在最低溫度下啟動和在較高一些溫度下完全達到性能指標是根有必要的。

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其功率額定值會降低，即在溫升20℃時輸出功率減少30%。在實際應(yīng)用中，通常的工作環(huán)境溫度會因氣候的變化和系統(tǒng)運行條件的變化而變化。模塊一般不會在其指定的最高環(huán)境溫度條件下持續(xù)運行相當長時間。如果模塊限制的溫度控制適當，就能在大多數(shù)運行情況下，只對模塊在最高環(huán)境溫度下的容量作限制，使模塊的功率最大化(特別是當模塊的輸入電壓偏向下限時)。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。同時要注意的是，在高溫時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)在標稱電壓左右工作時比在最小輸入電壓下工作時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)進行修正。美國于20世紀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”，工程操作和維護良好。

GF：地面固定式的使用環(huán)境。裝在永久性機架上，有足夠的通風冷卻。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。

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

使用環(huán)境對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合的限制。在設(shè)計和生產(chǎn)中比較容易做得到的就是重視和盡量加強通風冷卻。過高的環(huán)境溫度對功率器件的可靠性非常有害。

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

加強通風冷卻十分有益于功率器件可靠性的提高。國內(nèi)有些部門要求系統(tǒng)有很高的可靠性，又明令不許使用風扇進行強迫通風冷卻。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，現(xiàn)在優(yōu)質(zhì)的風扇可以保證5000-6000h的使用壽命(相當于連續(xù)運行6年以上)，更換風扇比其他部件的維修也省力省時得多。只要在系統(tǒng)設(shè)計條件中規(guī)定風扇即使不工作，設(shè)備依然可以長期正常運行，那么加強通風冷卻絕對有利于可靠性的提高。

3.減小功率器件的負荷率是改善失效率的捷徑

功率器件實際工作中的負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，PD/PR對失效率的影響見下表。

由表可知，當PD/PR=0.5時，失效率比0.2時增加了1000倍以上。

審核編輯：湯梓紅