浅谈IGBT模块使用温度范围

IGBT模块使用温度范围

1. 温度范围

IGBT模块的运行温度范围是非常重要的参数。一些设备要求工作在室温下，而另一些设备要求工作在很宽的温度范围内(如-40℃~+65℃)。温度和散热对于系统的可靠和有效运行非常重要。如果实际要求IGBT模块工作的电源系统工作在宽温度范围内，也要保证电源系统中的所有功率器件在宽温度范围内可靠地工作。为达到这一目的和最大限度地减少成本，应仔细估算在两个极端温度点处是否需要达到完全的性能指标。实际上，在极端温度点处对IGBT模块的要求越低，构成系统就可以越经济。

一些设备要求在很低温度下运行时性能不能打一点折扣，这时系统应能满足所有参数要求。如果有些特性可以降低要求，构成系统的成本将显著降低。降低系统在低温时对非关键参数的要求对降低模块成本有益。在实际应用中，如果规定模块可以在最低温度下启动和在较高一些温度下完全达到性能指标是根有必要的。

如果要求在高温环境下工作，一般IGBT模块在高于一定温度值时其功率额定值会降低，即在温升20℃时输出功率减少30%。在实际应用中，通常的工作环境温度会因气候的变化和系统运行条件的变化而变化。模块一般不会在其指定的最高环境温度条件下持续运行相当长时间。如果模块限制的温度控制适当，就能在大多数运行情况下，只对模块在最高环境温度下的容量作限制，使模块的功率最大化(特别是当模块的输入电压偏向下限时)。如果要限制模块的输出容量以满足在最高环境温度下能在正常的功率范围内安全运行，则可在模块内安装适合的温度监控系统，在较低温的条件下可自动提供更大的功率。

如果模块的温度与限流性能相关联，那会带来非常显著的益处。这一特征也可和部分恒功率特性组合起来，这样就可以尽可能地发挥它的优势。同时要注意的是，在高温时带温度限流的模块由于输入电压使得功率损耗变化，系统在标称电压左右工作时比在最小输入电压下工作时能提供更大的电流容量。

2.改善使用环境，降低功率器件的环境温度

功率器件的可靠性和使用环境有着极为密切的关系，功率器件的失效率在不同的使用环境中和其基本失效率差别很大，通常应以环境系数进行修正。美国于20世纪70年代公布了不同功率器件的环境系数数值。原有9种环境条件，现只列出较常用和有代表性的4种。

GB：良好地面环境，环境引力接近于“0”，工程操作和维护良好。

GF：地面固定式的使用环境。装在永久性机架上，有足够的通风冷却。由专业人员维修，通常在不热的建筑内安装。

NS：舰船舱内环境。水面舰船条件，类似于GF，但要受偶然剧烈的冲击震动。

GM：地面移动式和便携式的环境。劣于地面固定式的条件，主要是冲击震动。通风冷却可能受限制，只能进行简易维修。

使用环境对功率器件的失效率影响极大，GM和GB相比失效率要高出4-10倍。环境条件的改善往往受使用场合的限制。在设计和生产中比较容易做得到的就是重视和尽量加强通风冷却。过高的环境温度对功率器件的可靠性非常有害。

功率器件以PD/PR=0.5设计(PD为使用功率，PR为额定功率)，则环境温度对可靠性的影响见下表。

加强通风冷却十分有益于功率器件可靠性的提高。国内有些部门要求系统有很高的可靠性，又明令不许使用风扇进行强迫通风冷却。结果是不仅设备成本提高，可靠性也难以真正保证，人为地造成丁许多问题。其实，现在优质的风扇可以保证5000-6000h的使用寿命(相当于连续运行6年以上)，更换风扇比其他部件的维修也省力省时得多。只要在系统设计条件中规定风扇即使不工作，设备依然可以长期正常运行，那么加强通风冷却绝对有利于可靠性的提高。

3.减小功率器件的负荷率是改善失效率的捷径

功率器件实际工作中的负荷率和失效率之间存在着直接关系，因此功率器件的类型、数值确定以后，应从可靠性的角度来选择功率器件必须满足的额定值，如额定功率、额定电压、额定电流等。功率器件在环境温度ta =50℃时，PD/PR对失效率的影响见下表。

由表可知，当PD/PR=0.5时，失效率比0.2时增加了1000倍以上。

审核编辑：汤梓红