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IGBT模块结温变化下的电磁干扰特性

作者:海飞乐技术 时间:2019-12-27 17:46

  由于IGBT模块参数随温度变化,开关瞬变的波形也随着温度的变化而变化,电磁干扰、功率损耗等都与开关过程的瞬变波形有关。IGBT模块在开通和关断暂态过程产生的高电压和电流变化率及由此带来的电流电压尖峰是电磁干扰的主要来源。通过监测IGBT模块工作过程中的电磁干扰强度可以对评估器件的温度提供有效参考。此处在研究IGBT模块内部半导体的参数随着温度变化的基础上,研究了开关过程中集电极电流峰值及其变化率,集射极电压峰值及其变化率与温度的关系,从而分析电磁干扰与温度的关系,并进行实验,讨论了实验结果。最后得到了IGBT结温变化下的电磁干扰特性。
 
2. 结温变化与电磁干扰分析
2.1 IGBT的结构与结温特性
  IGBT是一种三端功率半导体器件,中高功率IGBT模块常用的封装方法是模块封装。模块封装技术由于内部芯片的焊接和键合线连接,器件可能会受到较大的热阻,较低的功率密度和较高的故障率。图1为标准IGBT模块的层状结构。

IGBT的层状结构 
图1 IGBT的层状结构
 
  这种结构由几层不同的材料组成。硅(Si)芯片被焊接在陶瓷基覆铜板(DCB)上,DCB衬底将Si芯片与底板绝缘,Si芯片的顶面与铝(A1)键合线接触。如图1所示,IGBT模块由具有不同热膨胀系数(CTE)的各种材料组成。在工作过程中,结温主要取决于IGBT和反并联二极管(FWD)芯片的功率损耗以及热扩散路径的热阻抗。IGBT器件结温计算公式为:
计算公式1 
式中:Ploss为器件损耗;Tth为模块结壳热阻;Tc为壳温。
  IGBT模块损耗包括IGBT芯片与FWD的功率损耗。对于IGBT高效率和快速开关的要求伴随着更高的功率水平,这样会导致较大的开关损耗,使IGBT芯片温度波动较大。芯片散发的热量由上到下传导至冷却系统。键合线和芯片之间的热膨胀系数不匹配会导致键合线裂纹甚至脱落。芯片与铜、铜与基板之间的CTE不匹配会导致焊料层疲劳。
 
2.2 结温升离对1GBt开关过程的彩响
  IGBT的开关过程如图2所示。
IGBT的开关过程 
图2 IGBT的开关过程
  根据图2分析温度对开关过程的具体影响:在t1~t2阶段,门射极电压开始大于阈值电压,IGBT导通,集电极电流开始上升。IGBT对温度极为敏感,载流子浓度和迁移率等都随结温的变化而变化。根据本征流子浓度可以通过下式进行估算:
计算公式2 
式中:Nc,Nv为导带和价带的有效态密度;K为玻尔兹曼系数;T为绝对温度;Wc为Si的禁带宽度,禁带宽度与温度成负相关。
  由式(2)可知,随着温度的上升,本征载流子的浓度降低。影响载流子迁移率的两种散射机理是电离杂质散射和晶格散射。室温以上时,晶格散射是载流子主要的散射机理,载流子的迁移率与温度具有如下关系:
计算公式3 
  可见,IGBT的载流子迁移率也随着温度的升高而降低,导致开通时间延长。考虑到集电极电流变化率随温度升高而降低和回路中的杂散电感,由式(4)可知,集射极的电压跌落也随着温度上升而变得平缓。
计算公式4  
  在t2~t3阶段,IGBT开通及二极管关断过程中,温度升高时二极管基区内部载流子复合量相比低温时变大,导致从基区抽取的载流子数目相对减少,则二极管的反向恢复电流峰值IRM减小。开通集电极电流波形包含反并联二极管和IGBT的动态特性,电流峰值由反并联二极管的反向恢复电流形成。同上阶段一致,集射极电压变化率随温度的升髙而减小。
  在t3~t4阶段,二极管恢复反向阻断能力,二极管电流逐渐恢复至零,集射极电压减小。由于开通时间的延长,该过程集电极电流变化率减小,集射集电压变化率也减小。
  使用曲线追踪仪测得开通过程中不同温度下集电极电流和集射极电压的曲线,如图3A所示。
  T5~t8阶段为IGBT的关断过程。ts时刻,PWM信号变为低电平,开始关断被测IGBT。
  IGBT关断时需要消耗掉宽基区内存储的过剩载流子,形成拖尾电流,只能由剩余的存储电荷和重组速率设置。拖尾电流的特性主要与漂移区中的过剩载流子的复合衰减寿命相关,过剩载流子寿命随温度变化的经验公式为:
计算公式5 
式中:τ(to)为过剩载流子初始寿命,To为初始温度。
  由此可知,在IGBT关断过程中,结温越髙,过剩载流子的寿命越长,从而导致关断时的电流下降过程变得缓慢,电流拖尾时间越久,关断时间延长。还有一方面的原因是IGBT模块内部PNP晶体管的电流增益随结温升高而增大,造成集电极电流的衰减起点很高,延长了关断时间。由以上分析可知,结温升高,关断瞬态集电极电流变化率变小。IGBT关断过程中,电流变化率与换流回路杂散电感的乘积,叠加在直流电压上产生集电极电压尖峰。
计算公式6 
由式(6)可知,随着IGBT结温的升高,关断时的电压尖峰会有所减小。电压变化率模型为:
计算公式7 
  式(7)中,k1由空穴扩散系数决定,;k1与空穴扩散系数都随着温度的增大而减小。K2与双极迁移率有关,随温度的增大而增大。Tana,β也是与半导体相关的参量,都随温度的增大而增大。耗尽层电容Cdep随uce的增大而增大。K1的变化相对其他参数而言,对电压变化率的影响较小。由此可知,温度升高,关断过程中集射极的电压变化率减小。
  使用曲线追踪仪测得不同温度下IGBT的关断曲线。集电极电流和集射极电压曲线见图3b。
IGBT开通和关断曲线 
图3 IGBT开通和关断曲线
 
2.3 IGBT工作暂态的频域分析
  IGBT暂态模型可准确地描述开关过程中的电压和电流变化率,但这种模型计算较为复杂。为简化分析,在干扰分析中可采用等腰梯形波来近似处理IGBT的开关暂态过程。考虑到IGBT开关过程的上升时间和下降时间,假定如图4所示的理想梯形函数来近似处理IGBT的开关暂态过程,以梯形波频谱包络等效其产生的电磁干扰,见图5。
IGBT的开关波形 
图4 IGBT的开关波形
频谱的包络 
图5 频谱的包络
 
  等腰梯形干扰电压的FFT展开式为:
计算公式8 
 
3. 实验
  功率模块传导干扰测试原理图如图6所示,测试主电路如图7示,搭建的测试平台由信号发生器、开关电源、驱动电路、加热盘、IGBT模块、电磁干扰测试接收机、可调电子负载、LISN及可编程直流电源组成。直流电源通过LISN给IGBT模块提供电源。IGBT模块、USN、电磁干扰测试接收机放在高1m的测试桌上,IGBT模块和USN通过接地线与接地平板连接。此外,测试平台中还有加热盘,用于对IGBT模块的加热。
功率模块传导干扰测试原理图 
图6 功率模块传导干扰测试原理图
实验主电路原理图 
图7 实验主电路原理图
  实验中使用SKM300GB128D型IGBT。图7中的各器件参数:Ug由开关电源提供,其值为15V。Udc由可编程直流电源提供,其值为10V。电阻R由可调电子负载提供。设置输入到驱动电路PWM信号的占空比为50%,频率为5kHz。
  按照图1所示的实验主电路和图2所示的测试平台,进行实验。电子负载选用恒流模式,为了减小IGBT模块自身产热造成的误差,可编程直流电源中设置的电流为0.5A。利用加热盘对IGBT模块进行加热,当加热盘加热到测量温度后,稳定一段时间再触发PWM波,使IGBT模块正常工作,并测试IGBT模块产生的电磁干扰。经估算,在ic较小的情况下,一次开关动作的能耗不足以改变结温,认为此时器件结温与壳温相等。测量IGBT模块在不同温度下,回路中产生的电磁干扰。其中IGBT模块壳温为20℃,60℃,100℃,120℃时,回路中产生的电磁干扰情况见图8。
电磁干扰曲线 
图8 电磁干扰曲线
  可见,在IGBT模块正常工作时,温度越高,回路中产生的电磁干扰强度越小。
  对不同温度下测得的数据进行处理,见图9。
不同温度下的干扰强度曲线 
图9 不同温度下的干扰强度曲线
 
  由图可知,在0.15~30MHz的频率范围内,随着温度的升髙,回路中的电磁干扰强度也随之减小,在低频段内电磁干扰强度减小更为显著,高频段内电磁千扰强度略微减小。
 
4. 结论
  研宄了IGBT模块不同温度下的电磁干扰特性,并进行实验验证得到结论,在IGBT模块正常工作的情况下,随着温度的升高,回路中产生的电磁干扰强度减小。在工程实际当中,实时检测IGBT模块的温度较为困难,但当进行电磁干扰测试时,根据回路中电磁干扰的变化可掌握IGBT模块的结温变化情况,从而及时调整系统工作状态,合理利用冷却系统将结温控制在安全范围内,避免了IGBT模块因热量不能及时耗散,温度升高而失效,对于指导IGBT器件的工程应用具有一定意义。




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