HVIGBT的选型准则

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讲座概述

本系列讲座旨在分享功率半导体的原理和相关应用知识，已发布的第1-30讲主要介绍了功率半导体的基础知识。从第31讲起为大家介绍HVIGBT的一系列相关知识，以帮助读者全面了解HVIGBT的工作原理、特性和正确应用方法。

1.1 HVIGBT选型准则

1.1.1 HVIGBT额定电压的选择

HVIGBT的额定电压选择主要由具体应用中功率模块需要承受的最大重复工作电压VM决定。在两电平拓扑中，该工作电压即为变流器的最大直流母线电压(Vcc)；在I型三电平拓扑中，该电压为变流器最大直流母线电压的一半，即Vcc2；在T型三电平拓扑中，竖管电压为变流器最大直流母线电压Vcc，横管电压为变流器最大直流母线电压的一半(Vcc2)。
通常HVIGBT的额定电压选择应达到或接近该最大重复工作电压的两倍，即使在最恶劣的情况下，HVIGBT的额定电压也不能低于该电压的1.5倍。
例如：对应AC690V两电平风电变流器，其母线电压为DC1100V。因此可以选用1700V的IGBT模块；对于AC3300V风电变流器，其母线电压为DC5000V。在采用I型三电平拓扑的情况下，施加在HVIGBT上的工作电压为母线电压的一半，即DC2500V。因此可以选用额定电压4500V的HVIGBT。
表5.1显示了牵引变流器应用中直流电压等级和HVIGBT额定电压选型的相互关系。
表5.1 牵引变流器电压等级与HVIGBT额定电压的关系

另外由于宇宙射线的原因，HVIGBT在高海拔应用中会随机出现损坏。这种损坏发生的概率将随着HVIGBT的直流工作电压和海拔高度的上升而上升。三菱电机会用LTDS(Long Term DC Stability)曲线来表示故障率FIT和工作电压及海拔高度之间的关系。图5.1为4500V R系列HVIGBT的LTDS曲线，环境温度为25℃，地点为纽约。

图5.1 4500V R系列HVIGBT的LTDS曲线(25℃，纽约)

1.1.2 HVIGBT绝缘额定电压的选择

目前三菱电机HVIGBT的绝缘电压有4.0kV，6.0kV和10.2kV。

绝缘耐压测试的电压与设备工作电压相关，不同的标准（例如EN 50178，EN 61800-5-1，EN 50124-1， UL 508C等）有不同的要求。

例如对于EN 50178，其绝缘电压要求如下式所示：

 而对于铁路行业，IEC 60077-1规定的绝缘电压如下式所示：

在考虑HVIGBT的绝缘电压VISO设计时，应考虑满足所有相关标准中最高的要求。对额定电压为6500V的HVIGBT，三菱电机设计其绝缘电压为10.2kV；对于额定电压为3300V的HVIGBT，三菱电机设计其绝缘电压为6kV和10.2kV（针对特殊场合）。

根据IEC61800-5-1，I型三电平的中点是危险的带电导体，因而此点是不能直接连接大地的。如果当在散热器和三电平的箝位中点之间连接一个大的电阻后，散热器则可以被认为是保护特低电压(PELV)电路。例如，对于输出3300Vac的I型三电平变流器，总母线电压为5000V，如果采用上述接法，散热器和功率模块的主端子之间的电压只是母线电压的一半，也即2500V，这样采用绝缘额定电压为6.0kV的HVIGBT功率模块也可以满足IEC标准的要求。

1.1.3 HVIGBT额定电流的选择

HVIGBT额定电流的选择首先需要考虑变流器的额定电流。对于三相变流器而言，其输出额定电流Io可以计算为：

式中，Po为输出额定功率，Uo为输出额定电压，cosθ为功率因数。

需要注意的是，式5.3计算得到的只是变流器输出的额定电流。在实际的选型设计中，还需要考虑系统的过载倍数；结合开关频率和散热器温度计算HVIGBT的结温，同时需要考虑变流器系统的使用寿命。