通過(guò)前幾期的技術(shù)講座，我們了解了DIPIPM™的發(fā)展歷史、基本結(jié)構(gòu)、內(nèi)置功能，全面深入地對(duì)DIPIPM™產(chǎn)品規(guī)格書(shū)中相關(guān)重要參數(shù)、可靠性測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行了學(xué)習(xí)。
在了解器件的規(guī)格書(shū)參數(shù)及相關(guān)可靠性項(xiàng)目?jī)?nèi)容后，如何根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域及實(shí)際工作條件選擇合適的器件也是至關(guān)重要的，同時(shí)也需要重視規(guī)格書(shū)中極限參數(shù)的限制以及相關(guān)推薦使用條件。
在接下來(lái)的部分，我們從電氣性能、熱性能、應(yīng)用領(lǐng)域及壽命角度來(lái)對(duì)DIPIPM™的選型參考準(zhǔn)則和三菱電機(jī)針對(duì)主要應(yīng)用的選型推薦進(jìn)行介紹。
3.1.1
基于電氣性能、熱性能的選型
三菱電機(jī)DIPIPM™產(chǎn)品存在不同系列，不同系列的產(chǎn)品其額定電壓、額定電流、載波頻率、絕緣耐壓、最大結(jié)溫等參數(shù)可能不同。即使標(biāo)稱額定電壓、額定電流相同的產(chǎn)品，由于封裝或內(nèi)置芯片的不同，其性能也存在差異，因此需要針對(duì)具體的應(yīng)用對(duì)DIPIPM™進(jìn)行選型。
電氣性能和熱性能是DIPIPM™選型原則中需要優(yōu)先考慮的指標(biāo)。如圖1所示，從電氣性能及熱性能進(jìn)行器件選型，首先需要考慮器件關(guān)鍵參數(shù)及SOA（安全工作區(qū)）的限定范圍，同時(shí)也需要了解實(shí)際電路結(jié)構(gòu)、控制方式、最惡劣工況下的具體應(yīng)用參數(shù)如：Vcc（母線電壓）、Icp（峰值電流）、fsw（開(kāi)關(guān)頻率）、Tf（散熱器溫度）等。由圖1可以看出，選擇DIPIPM™時(shí)其實(shí)際工作的最大結(jié)溫應(yīng)滿足Tj<150℃/175℃的要求，而實(shí)際工作中的母線電壓Vcc及最大輸出電流需要滿足器件開(kāi)關(guān)安全工作區(qū)和短路安全工作區(qū)的要求。關(guān)于器件的安全工作區(qū)定義如下圖2所示，具體請(qǐng)參考該系列文章《第6講：正確理解DIPIPM™產(chǎn)品規(guī)格書(shū)》中的說(shuō)明。
DIPIPM™選型時(shí)首先從最惡劣工況下的工作電壓、工作電流對(duì)模塊進(jìn)行初始選型，然后再根據(jù)應(yīng)用條件計(jì)算出Tjmax后進(jìn)行熱判斷，基本判定依據(jù)如表1所示，其中ICP為變頻器輸出相電流的峰值，其定義見(jiàn)圖3。
典型應(yīng)用電路如圖3所示（省去整流部分電路），已知使用條件為：輸入交流電壓Vin=220Vac，額定功率P=1kW，過(guò)載倍數(shù)為3倍，fc=8kHz，Tf=100℃，PF=0.9。
由上述計(jì)算可知，模塊需要工作的最大電流為12.37A，基于Ic(模塊額定電流)=ICP的選型原則，可選擇15A電流規(guī)格的模塊；而模塊需要在358V的母線電壓下工作，基于VCES=2×VCC的選型原則，需要選擇1200V耐壓的模塊，但基于VCC<2/3VCES的選型原則亦可選擇600V耐壓的模塊，因此，我們至少可以初步選擇600V/15A規(guī)格的模塊。
初步確定模塊規(guī)格后，還需根據(jù)具體應(yīng)用條件對(duì)模塊進(jìn)行熱計(jì)算，以判斷是否滿足熱判據(jù)，尤其是對(duì)額定電流的進(jìn)一步確認(rèn)。
熱性能判據(jù)（熱設(shè)計(jì)）
依據(jù)最惡劣工況下的工作條件，首先需要根據(jù)模塊的通態(tài)特性和開(kāi)關(guān)特性計(jì)算出模塊內(nèi)置的IGBT和FWD各自的通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗，然后得到其總功耗。
a) IGBT通態(tài)損耗PDC
式6
由式6可以計(jì)算出IGBT的通態(tài)損耗，其中ICP與cosφ通過(guò)應(yīng)用條件確定，而VCE(sat)可以在數(shù)據(jù)手冊(cè)中查找到相關(guān)數(shù)據(jù)。
b) IGBT開(kāi)關(guān)損耗Psw
由式7可以計(jì)算出IGBT的開(kāi)關(guān)損耗，其中fc通過(guò)應(yīng)用條件確定，而Esw(on)（開(kāi)通損耗）與Esw(off)（關(guān)斷損耗）可以在數(shù)據(jù)手冊(cè)中查找到相關(guān)數(shù)據(jù)。
結(jié)合a)與b)所計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)，可得出IGBT整體損耗為PQ=PDC+Psw。
c)續(xù)流二極管通態(tài)損耗PDC
d)續(xù)流二極管反向恢復(fù)損耗Prr
由式9可以計(jì)算出FWD的反向恢復(fù)損耗，其中fc通過(guò)應(yīng)用條件確定，而Err可以在數(shù)據(jù)手冊(cè)中查找到相關(guān)數(shù)據(jù)。
結(jié)合c)與d)所計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)，可得出FWD整體損耗為PD=PDC+Prr。
接下來(lái)，根據(jù)前面計(jì)算功耗結(jié)果結(jié)合熱阻計(jì)算IGBT結(jié)溫Tj(Q)和FWD結(jié)溫Tj(D)，具體如式10，其中模塊的熱傳導(dǎo)路徑如圖4所示。
由式11可計(jì)算得出IGBT結(jié)溫Tj(Q)，其中Tf（散熱器溫度）由應(yīng)用條件確定，熱阻參數(shù)可在數(shù)據(jù)手冊(cè)中查得。
由式12可計(jì)算得出FWD結(jié)溫Tj(D)，其中Tf由應(yīng)用條件確定，熱阻參數(shù)可在數(shù)據(jù)手冊(cè)中查得。
最后，根據(jù)熱判據(jù)，計(jì)算所得的結(jié)溫Tj(Q)和Tj(D)應(yīng)小于模塊內(nèi)部功率芯片所能承受的最大結(jié)溫Tj(max.)（具體參考規(guī)格書(shū)），一般而言推薦至少留出25°C的裕量：
若所計(jì)算的Tj大于125°C/150°C，則說(shuō)明模塊容量不夠，應(yīng)選擇大一級(jí)規(guī)格的模塊再重新上述計(jì)算；若Tj遠(yuǎn)小于125°C/150°C，則說(shuō)明模塊裕量較大，可選擇小一級(jí)容量的模塊再重新上述計(jì)算；若Tj小于并接近125°C/150°C，則說(shuō)明模塊選擇得很合適。
此外，也可以采用三菱電機(jī)針對(duì)功率器件功耗的仿真軟件Melcosim結(jié)合相關(guān)應(yīng)用條件進(jìn)行仿真判斷，該軟件可在官網(wǎng)下載，使用方法在后續(xù)的章節(jié)中會(huì)有詳細(xì)說(shuō)明。
作為功率器件制造商，三菱電機(jī)開(kāi)發(fā)的DIPIPM™產(chǎn)品應(yīng)用一般不局限在某些特定領(lǐng)域，為了讓用戶能夠快速找到適合自己應(yīng)用的產(chǎn)品，三菱電機(jī)針對(duì)主流應(yīng)用給出了相關(guān)的參考選型，具體如下述表格2~7所示，實(shí)際選型中需按具體應(yīng)用條件進(jìn)行再確認(rèn)。
DIPIPM™壽命也是選型中需要考慮的重要因素，不同的應(yīng)用對(duì)壽命的要求也不盡相同，因此需要針對(duì)模塊的壽命進(jìn)行確認(rèn)，這需確立DIPIPM™全年的運(yùn)行工況物理模型，計(jì)算每種工況下的溫升，對(duì)照功率循環(huán)（P/C：Power Cycle）曲線及溫度循環(huán)（T/C：Thermal Cycle）曲線查找對(duì)應(yīng)的壽命次數(shù)，最終做加權(quán)處理。由于DIPIPM™采用壓注模封裝結(jié)構(gòu)，其溫度循環(huán)壽命遠(yuǎn)大于功率循環(huán)壽命，在做相關(guān)壽命推測(cè)時(shí)僅需要考慮功率循環(huán)次數(shù)，具體P/C曲線請(qǐng)參考相應(yīng)模塊的應(yīng)用手冊(cè)。
針對(duì)壽命的具體計(jì)算方法，后續(xù)會(huì)有專門(mén)的章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，敬請(qǐng)期待。
本文從電氣性能、熱性能的角度對(duì)模塊選型進(jìn)行了相關(guān)說(shuō)明，并給出了相應(yīng)的判據(jù)，另外根據(jù)市場(chǎng)應(yīng)用情況，對(duì)DIPIPM™在其主流應(yīng)用領(lǐng)域中的選型給出了參考建議。接下來(lái)的講座中，我們將繼續(xù)圍繞如何了解透、選擇好、應(yīng)用好DIPIPM™的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行介紹，敬請(qǐng)期待。
*主要術(shù)語(yǔ)列表：
*1: DIPIPM→雙列直插式智能功率模塊（Dual-in-line Intelligent Power Module）；
*2: DIPIPM™、SLIMDIP™及DIPIPM+™均為三菱電機(jī)株式會(huì)社注冊(cè)商標(biāo)。
主要參考文獻(xiàn)：
[1] Mitsubishi electric, “SLIMDIP Series Application note”
[2] Mitsubishi electric, “Super mini DIPIPM Ver.6 Series Application note”
[3] Mitsubishi electric, “Mini DIPIPM with BSD Series Application note”
[4] Mitsubishi electric, “1200V Large DIPIPM Ver.6 Series Application note”
[5] Mitsubishi electric, “Large DIPIPM+ Series Application note”
