IGBT的五个损耗常用分量

在追求2060年“碳中和”目标的道路上，高效利用绿色能源显得尤为重要。功率模块，作为绿色能源转换的关键组件，其性能至关重要。而绝缘栅门极晶体管(IGBT)，作为电源转换中的核心芯片，因其高频使用而成为故障多发点。因此，深入探究IGBT的失效机理及其检测方法显得尤为迫切。IGBT功率模块的可靠性，在很大程度上取决于其稳定的电气连接、出色的绝缘性能以及强大的抗干扰能力，而这些都离不开可靠的封装技术。接下来，带您深入了解IGBT的具体构造和工作过程。

IGBT模块中的芯片主要由硅材料制成，而硅材料自身存在两种类型的缺陷：质量缺陷和潜在缺陷。这两种缺陷在检测方式上有所不同。如果模块的缺陷可以通过控制程序进行检测，那么这种缺陷就被归类为质量缺陷;然而，有些缺陷仅通过质量控制无法察觉，需要借助外部条件如对模块施加特定刺激才能被发现，这类具有隐蔽性的缺陷被称为潜在缺陷。由于每个模块的外部环境和内部结构都独一无二，因此其缺陷类型也各不相同，导致模块失效的原因和方式呈现出复杂性。此外，IGBT模块在不同使用环境下所受到的限制和应力也会有所不同，进而影响其失效的程度。

与众多功率半导体相比，IGBT的芯片温度确定过程往往更为繁复。这主要归因于IGBT常采用的一体式封装设计，其中不仅集成了IGBT芯片，还包含了二极管芯片。为了准确获取每个芯片的温度状态，我们必须深入了解各芯片的功耗、工作频率、热阻θ以及相互间的交互作用系数。此外，还需详细掌握每个器件的θ值及其与交互作用系数psi的关联。接下来，我们将重点探讨如何对功率二极管和IGBT芯片的温升进行精确测量。在电路拓扑和工作条件的影响下，两个芯片间的功率损耗可能显著不同。IGBT的损耗主要包含导通损耗和开关(开通与关断)损耗，而二极管的损耗则涉及导通与关断两个阶段。为了精确测量这些损耗，通常需要借助示波器，利用电压和电流探针来监控器件在运行过程中的波形变化。此外，还需要运用数学函数来计算测得的能量，进而确定一个开关周期内的总能量，并最终通过除以开关周期时间来得出功耗。

根据电路拓扑和工作条件，两个芯片之间的功率损耗可能会有很大差异。IGBT 的损耗可以分解为导通损耗和开关(开通和关断)损耗，而二极管损耗包括导通和关断损耗。准确测量这些损耗通常需要使用示波器，通过电压和电流探针监视器件运行期间的波形。测量能量需要用到数学函数。确定一个开关周期的总能量后，将其除以开关周期时间便可得到功耗。

IGBT作为电力电子领域的核心元件之一，其结温Tj高低，不仅影响IGBT选型与设计，还会影响IGBT可靠性和寿命。因此，如何计算IGBT的结温T j ，已成为大家普遍关注的焦点。由最基本的计算公式T j =T a +R th(j-a) *Ploss可知，损耗Ploss和热阻R th(j-a) 是Tj计算的关键。

在掌握了五个损耗分量之后，我们需要进一步将这些数据与实际测量条件相结合，以推算出每个芯片的整体功耗。首先，我们来看感性负载的波形。感性负载，例如电机，其电压和电流波形具有典型的特征。在t0到t1的时间段内，电流呈现电抗性，此时二极管负责传导电流;而在t1到t2的时间段内，电流转为阻性，IGBT则开始传导电流。这些不同时间段的功耗特性对于整体功耗的计算至关重要。虽然基于单个脉冲计算每个时间段的平均功耗相当复杂，但我们可以采用合理的方法进行估算。为此，我们需要详细计算该时间段的平均功耗。而在此过程中，平均(或加热)当量的计算显得尤为关键。对于电压和电流值，我们采用均方根值来计算;而对于功率，我们则直接计算其平均值。

在推算每个芯片的整体功耗时，我们需要进一步关注平均功耗的计算。这一步骤对于准确评估IGBT与二极管的功耗至关重要。为了计算平均功耗，我们需要详细分析感性负载的波形特征，特别是电压和电流的变化情况。在电流呈现电抗性的时间段内，二极管负责传导电流，而在电流转为阻性的时间段内，IGBT则开始发挥作用。通过分别计算这两个时间段的功耗，并加以平均，我们可以得到更为准确的平均功耗值。IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的开通损耗(turn-on loss)和关断损耗(turn-off loss)在不同的工作条件下可能会有所不同，但通常情况下，IGBT的关断损耗要比开通损耗更大。

1. 关断过程中的拖尾电流：IGBT是双极性器件，在导通时电子和空穴都参与导电。当IGBT关断时，沟道内的电子可以迅速被抽取走，但是空穴只能通过复合慢慢清除。这导致了一个明显的拖尾电流，即在理论上应该已经完全关闭的时候，仍然有一些电流流过，直到所有空穴都消失。这个拖尾电流会持续一段时间，从而增加了关断损耗。

2. 开通速度较快：MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)作为单极性器件，在开通时只有电子参与导电，因此没有拖尾电流的问题。虽然IGBT的开通过程也涉及电子和空穴，但由于多数载流子(电子)的移动速度相对较快，所以IGBT的开通损耗相对较低。

3. 温度和电流的影响：开关损耗与集电极电流和IGBT结温有关。通常，随着温度的升高和电流的增大，开关损耗也会增加。特别是对于关断损耗来说，由于拖尾电流的存在，这种影响更加明显。

塑封料与芯片、基板的热膨胀系数不匹配是导致分层比例偏大的重要原因，这可能进一步损伤芯片内部结构，引发短路和漏电流偏大等问题。因此，在封装过程中，需要充分考虑并有效控制这些匹配问题，以确保芯片的稳定性和可靠性。

4. 塑封过程中的应力

若模具的脱模能力不足，或在塑封后的冷却过程中存在温度冲击，都可能导致分层比例偏大，进而影响散热能力。此外，若切筋过程中的夹具与模具配合不当，也可能引发引脚分层比例偏大。同时，在测试过程中，由于热应力、电流脉冲的影响，以及静电损伤，都可能造成电性能参数的偏移。

综上所述，由于IGBT在关断过程中特有的拖尾电流现象，其关断损耗往往比开通损耗要大。不过，实际的损耗情况还取决于具体的电路条件、工作频率、负载特性以及IGBT的具体型号等因素。在设计和应用中需要根据实际情况进行精确的分析和计算。