針對(duì)電動(dòng)馬達(dá)控制，在指定絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 時(shí)的考慮

針對(duì)所有的應(yīng)用，人們?cè)絹?lái)越注意電動(dòng)馬達(dá)的運(yùn)作效率；因此，對(duì)高效率驅(qū)動(dòng)器的需求變得日益重要。此外，使用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，例如電動(dòng)馬達(dá)、泵和風(fēng)扇，需要降低整體成本，且需要減低這些電動(dòng)馬達(dá)應(yīng)用中的能耗；因此，為電動(dòng)馬達(dá)及其的驅(qū)動(dòng)指定高效率的設(shè)計(jì)，以適合每項(xiàng)特定應(yīng)用變得更加重要。

面對(duì)今日要求更高的電壓或更高的電流以及更低頻率的電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，廣為人知且被廣泛使用的開關(guān)組件解決方案絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 即是一項(xiàng)絕佳的選擇。因?yàn)槎鄶?shù)馬達(dá)在較低頻率運(yùn)作，要求可靠的安全工作區(qū)（SOA）和短路額定值，且需要將效率最大化，因此具有共同封裝二極管的 IGBT 非常適合這些應(yīng)用。包括 IGBT 的電流處理能力和峰值電壓額定值等因素，決定一款特定的IGBT 是否能夠支持馬達(dá)的負(fù)載要求。

本應(yīng)用手冊(cè)說(shuō)明在馬達(dá)控制上，采用 IGBT 的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，討論 IGBT 在工業(yè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中所扮演的角色、開關(guān)和傳導(dǎo)性如何影響 IGBT 的選擇，以及了解短路耐受時(shí)間的重要性。文中以重點(diǎn)方式闡述為何使用 Bourns 先進(jìn)的離散式 IGBT 進(jìn)行設(shè)計(jì)，有助延長(zhǎng)工業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用中的驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)馬達(dá)的壽命，并可提高效率。

將工業(yè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的效率最大化

典型的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器由若干部分組成。圖 1 顯示一個(gè)典型的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，這個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用使用來(lái)自 AC電源線的電源，并依照用戶輸入，將電源用于電動(dòng)馬達(dá)。使用 IGBT 制作出一個(gè)功率因子校正（PFC）整流器，如同不間斷電源 (UPS) 中的設(shè)計(jì)。馬達(dá)制動(dòng)電路由 IGBT 組成，這些 IGBT 在馬達(dá)停止時(shí)耗散馬達(dá)的功率或?qū)⒍嘤嗟哪芰總魉突?AC 輸入，以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)逆變器將儲(chǔ)存在電容器中的 DC 電壓能量轉(zhuǎn)換為指定的電壓和頻率的 AC 波形，以控制馬達(dá)到達(dá)所需要的速度和扭矩。 

圖 1 典型的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方塊圖，使用功率因子校正 (PFC) 輸入整流器

為了在不同的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)部分將 IGBT 維持在它的 SOA 額定值以下，必須移除晶體管封裝的熱能。Bourns? BID IGBT 系列采用更好的散熱 TO-247 功率封裝。對(duì) IGBT 和 FRD 中的開關(guān)瞬態(tài)和正向傳導(dǎo)所引起的功率損耗，這些封裝提供了有效的散熱。在馬達(dá)控制應(yīng)用中，對(duì)環(huán)境溫度高，氣流減少或不可用的地方，設(shè)計(jì)人員需要思考功耗對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。因?yàn)?Bourns? IGBT 是專為高效率設(shè)計(jì)的，它們所產(chǎn)生需要消散的熱量較少。這樣有助于減小尺寸和成本，且可簡(jiǎn)化熱管理設(shè)計(jì)。

開關(guān)和傳導(dǎo)表現(xiàn)

IGBT 的開關(guān)和傳導(dǎo)表現(xiàn)隨組件結(jié)構(gòu)相關(guān)。Bourns? IGBT 的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)有助于優(yōu)化馬達(dá)控制應(yīng)用中的ON 狀態(tài)損耗和開關(guān)速度。這種結(jié)構(gòu)的重要特色是由一個(gè) n+ 型緩沖區(qū)所產(chǎn)生的場(chǎng)停止層，這個(gè) n+ 型緩沖區(qū)添加在 n- 漂移區(qū)下方，位在較低的 p-摻雜層的上方。這個(gè)緩沖區(qū)的用途是支持電場(chǎng)并允許更薄的 n-漂移區(qū)，這大大有助于減少傳導(dǎo)損耗。

圖 2 顯示了開關(guān)損耗 (E_off) 和傳導(dǎo)損耗 (V_CE(sat)) 之間的整體折衷。這說(shuō)明系統(tǒng)要求攸關(guān)和選定合適的組件，以符合特定馬達(dá)系統(tǒng)控制器的需求。Bourns 的新一代 IGBT 使用先進(jìn)的 Trench-Gate FieldStop（TGFS）技術(shù)，可提高單元密度來(lái)增強(qiáng)V_CE(sat)/E_off 曲線的性能。

圖 2 開關(guān)損耗 (E_off) 和傳導(dǎo)損耗 (V_CE(sat) )的權(quán)衡

工業(yè)環(huán)境中的短路

在馬達(dá)控制應(yīng)用中，從 DC 電壓總線到地面（如 DC 電流）或從一個(gè)馬達(dá)相位到另一個(gè)相位或接地，IGBT開關(guān)可能經(jīng)歷短路路徑。IGBT 必須能夠在終端應(yīng)用檢測(cè)這些異常所需要的時(shí)間間隔內(nèi)承受這些異常。馬達(dá)通常能夠在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)（幾毫秒到幾秒）吸收非常高的電流水平；但是，經(jīng)常指定用于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)逆變器的 IGBT 通常具有微秒級(jí)的短路耐受時(shí)間。某些 Bourns? IGBT 型號(hào)具有 10 μs 的短路耐受能力。

馬達(dá)控制應(yīng)用需要高度的 健性和可靠性，因?yàn)樗鼈冊(cè)趪?yán)厲的條件下運(yùn)作，對(duì) IGBT 施加高度的應(yīng)力，並知這會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)短路狀況。

具有更高短路電流水平和 5 μs 范圍內(nèi)的必要短路耐受時(shí)間的 IGBT（例如， Bourns? BIDNW30N60H3）是降低傳導(dǎo)損耗的權(quán)衡，亦有助于降低整個(gè) BOM 成本。一個(gè)好消息是在短路耐受時(shí)間上，某些差異被IGBT 設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)的改善所抵消。較高的跨導(dǎo)性和較低的熱阻力會(huì)減低傳導(dǎo)損耗，提高應(yīng)用效率，為馬達(dá)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來(lái)好處，即使所選擇的 IGBT 的短路耐受時(shí)間較短。

IGBT 權(quán)衡

若所選擇的組件因?yàn)殚_關(guān)損耗較低而提供高水平的開關(guān)頻率，這會(huì)產(chǎn)生較高的傳導(dǎo)損耗。傳導(dǎo)損耗若較高，會(huì)導(dǎo)致較高的功耗，因而需要更大且往往是大體積的散熱器，這會(huì)增加系統(tǒng)成本及空間。

相反地，傳導(dǎo)損耗較低的組件可以在較低頻率有效率地運(yùn)作，但它的短路耐受能力會(huì)減低。圖 3 說(shuō)明了這種權(quán)衡。

圖 3 參考有關(guān)的安全工作區(qū)，傳導(dǎo)損耗、開關(guān)損耗和短路耐受能力的馬達(dá)控制設(shè)計(jì)權(quán)衡

安全工作區(qū) (SOA) 的考慮

對(duì)在電流和電壓最大值附近工作的 IGBT，需要仔細(xì)思考如何安全地將這些參數(shù)維持在數(shù)據(jù)表的規(guī)定值內(nèi)。主要的重點(diǎn)是將集電極的電流維持在最大值以下，且同時(shí)將集電極到發(fā)射極的電壓維持在數(shù)據(jù)表規(guī)定的數(shù)值以下。當(dāng)在正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）的正向偏置條件下工作時(shí)，需要依據(jù)脈沖寬度和熱設(shè)計(jì)的阻抗來(lái)額外思考最大脈沖集電極電流。對(duì)最大集電極-發(fā)射極電壓，F(xiàn)BSOA 定義了最大飽和集電極電流，通常用于感性負(fù)載。在反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）的反向偏置條件中，最大電流隨關(guān)斷期間集電極和發(fā)射極之間的峰值電壓有關(guān)。遵守最大限制是必要的，以在最大的結(jié)點(diǎn)溫度來(lái)保護(hù)快速恢復(fù)二極管。

結(jié)論

對(duì)電動(dòng)馬達(dá)控制應(yīng)用中的逆變器使用 IGBT 有助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成本縮減目標(biāo)，因?yàn)檫@些組件有較小的芯片尺寸，可實(shí)現(xiàn)更高的電流密度設(shè)計(jì)。尤其是，Bourns? 離散式 IGBT 支持更高溫的運(yùn)作，并提供更好的能力，可移除 IGBT 封裝的熱能。Bourns? IGBT 采用具有熱效率的設(shè)計(jì)，提供更低的運(yùn)作損耗、更大的過(guò)載，以及更高的短路電流耐受能力等優(yōu)點(diǎn)，可提供優(yōu)越的開關(guān)設(shè)計(jì)解決方案。

此外，優(yōu)化是必要的，以在傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗之間平衡 IGBT，并依據(jù)最終產(chǎn)品所使用的馬達(dá)類型來(lái)調(diào)整特定的應(yīng)用需求。對(duì)于馬達(dá)控制應(yīng)用，在 TO-247足跡中，被共同封裝的 600 V/650 V Trench-Gate Field-Stop (TGFS) IGBT+FRD 被認(rèn)為是理想的組件解決方案。由于總功耗較低，這些 IGBT 組件提供更高的熱性能、低 VCE(sat) 和高效能，與上一代的平面 IGBT 相比，具有很高的可靠性。