能實(shí)現(xiàn)更高的電流密度和系統(tǒng)可靠性的IGBT模塊

隨著全球?qū)稍偕茉吹娜找骊P(guān)注以及對(duì)效率的需求，高效率，高可靠性成為功率電子產(chǎn)業(yè)不斷前行的關(guān)鍵。Nexperia（安世半導(dǎo)體）的 IGBT 產(chǎn)品系列優(yōu)化了開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗, 兼顧馬達(dá)驅(qū)動(dòng)需求的高溫短路耐受能力，實(shí)現(xiàn)更高的電流密度和系統(tǒng)可靠性。

自推出以來(lái)，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）由于其高電壓、大電流、低損耗等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，光伏，UPS，儲(chǔ)能，汽車 等領(lǐng)域。

變頻器

變頻器由于“節(jié)能降耗”等優(yōu)勢(shì)，廣泛的使用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。讓我們先來(lái)走進(jìn)變頻器，看看變頻器的典型電路。

“交—直—交”電路是典型的變頻器拓?fù)潆娐?，基于該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、微處理單元等組成。變頻器靠 IGBT 的開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要，來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器廣泛的應(yīng)用在紡織，港口，化工，石油，工程機(jī)械，物流等各類應(yīng)用場(chǎng)景。

圖1 典型的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)變頻器的應(yīng)用框圖

變頻節(jié)能

傳統(tǒng)用工頻（50Hz）電源直接驅(qū)動(dòng)時(shí)的風(fēng)量或水量調(diào)節(jié)方式落后。風(fēng)機(jī)、泵類調(diào)節(jié)大部分仍采用閥門機(jī)械節(jié)流方式（調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開(kāi)度等降低風(fēng)量或水量）。由于電機(jī)以恒定速度運(yùn)行，因此即使降低風(fēng)量和水量，耗電量也幾乎不會(huì)下降，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過(guò)程中。容易產(chǎn)生能源的浪費(fèi)。

風(fēng)機(jī)、泵類當(dāng)使用變頻調(diào)速時(shí)，如果流量要求減小，通過(guò)降低泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。隨著轉(zhuǎn)速的降低，所需轉(zhuǎn)矩以平方的比例下降。輸出的功率也就成立方關(guān)系下降。 即可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的降低輸出功率，降低耗電量。

風(fēng)扇、風(fēng)機(jī)、泵為代表的降轉(zhuǎn)矩負(fù)載來(lái)說(shuō)，隨著轉(zhuǎn)速的降低，所需轉(zhuǎn)矩以平方的比例下降。而根據(jù)流體力學(xué)，功率=壓力×流量，流量和轉(zhuǎn)速的一次方是成正比的，壓力與轉(zhuǎn)速的平方是成正比的，功率和轉(zhuǎn)速的立方成正比，如果說(shuō)水泵效率固定的話，當(dāng)調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速就會(huì)成比例下降，輸出的功率也就成立方關(guān)系下降，所以說(shuō)，水泵的轉(zhuǎn)速與電機(jī)耗電功率是近似立方比關(guān)系。

馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的短路能力

工業(yè)環(huán)境中的短路工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作環(huán)境相對(duì)惡劣，可能出現(xiàn)高溫、交流線路瞬變、機(jī)械過(guò)載、接線錯(cuò)誤以及其它突發(fā)情況。其中有些事件可能會(huì)導(dǎo)致較大的電流流入電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率電路中。

圖2 IGBT 典型的短路情況

圖2顯示了三種典型的短路事件。它們是：

1. 逆變器直通。這可能是由于不正確開(kāi)啟其中一條逆變器橋臂的兩個(gè)IGBT所導(dǎo)致的，而這種情況有可能是因?yàn)樵馐芰穗姶鸥蓴_或控制器故障，也可能是因?yàn)楸凵系钠渲幸粋€(gè) IGBT 故障導(dǎo)致的。  

2. 相對(duì)相短路。這可能是因?yàn)樾阅芟陆?、溫度過(guò)高或過(guò)壓事件 導(dǎo)致電機(jī)繞組之間發(fā)生絕緣擊穿所引起的。

3. 相線對(duì)地短路。這同樣可能是因?yàn)樾阅芟陆?、溫度過(guò)高或過(guò)壓事件導(dǎo)致電機(jī)繞組和電機(jī)外殼之間發(fā)生絕緣擊穿所引起的。

一般而言，電機(jī)可在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)（如毫秒到秒，具體取決于 電機(jī)尺寸和類型）吸收極高的電流，這對(duì)于應(yīng)用在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)上的 IGBT 提出了高溫短路耐受能力的要求。

IGBT 在極限工況需要滿足短路耐受的能力，Nexperia 的IGBT模塊可實(shí)現(xiàn)高溫150°C 10us 的短路能力。如圖3 IGBT 開(kāi)關(guān)損耗、通態(tài)壓降和可靠性的三者的折中關(guān)系。Nexperia 的 IGBT 采用溝槽柵場(chǎng)終止技術(shù)，針對(duì)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用優(yōu)化了 Vcesat 導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗的性能，同時(shí)滿足高溫150°C 10us 的短路能力。

圖3 IGBT 開(kāi)關(guān)損耗、通態(tài)壓降和可靠性的三者關(guān)系

IGBT模塊的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)性能對(duì)比

導(dǎo)通損耗是整體損耗的重要組成部分，我們選取了在市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的不同廠商ABCD產(chǎn)品作為對(duì)照，在同樣的條件如高溫150°C，VGE=15V 時(shí)，從圖4的對(duì)比，我們可以讀出在額定電流100A條件下，競(jìng)品A,B,C,D的 Vcesat的飽和壓降分別為2.49V, 2.41V, 2.52V, 3V。紅色的是安世 IGBT 產(chǎn)品NP100T12P2T3的飽和壓降，Vcesat 僅為2.27V，在高溫下，和競(jìng)品ABCD相比，Vcesat 分別降低了10%，6%，11%，32%。極大的降低 IGBT 的靜態(tài)損耗。Nexperia 的 IGBT模塊表現(xiàn)出了優(yōu)異的低 Vcesat 飽和壓降的特性。

圖4  IGBT模塊在 150°C 的 靜態(tài)特性（Ic-Vcesat )

IGBT模塊的動(dòng)態(tài)性能對(duì)比

同樣馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中對(duì)開(kāi)關(guān)損耗尤為關(guān)注，我們選取了在市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的不同廠商 ABCD 產(chǎn)品作為對(duì)照，對(duì)比Nexperia IGBT 產(chǎn)品 NP100T12P2T3 在不同電流下的開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗的和值 Etot ( Eon+Eoff)，如圖 5所示 在 結(jié)溫150°C 的對(duì)比，紅色的曲線是安世 IGBT 產(chǎn)品 NP100T12P2T3，在額定電流100A的條件下，競(jìng)品 A，B，C，D，開(kāi)關(guān)損耗和值 Etot 分別為25.84mJ，24.52mJ，24.33mJ，29.19mJ，而Nexperia產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)損耗和值 Etot 僅為23.64mJ。在高溫下，和競(jìng)品ABCD相比，開(kāi)關(guān)損耗和值 Etot 分別降低了9%，4%，3%，23%，極大地降低 IGBT 在高開(kāi)關(guān)頻率下的功率損耗。

圖 5 IGBT模塊在 150°C 的 開(kāi)關(guān)特性（Eon+Eoff）

IGBT的折中曲線

圖6是在常溫25°C 和高溫150°C 時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗Etot和導(dǎo)通壓降 Vcesat 的折中關(guān)系對(duì)比。IGBT工作在大電流高電壓，高溫150°C的折中曲線備受客戶的關(guān)注。如圖6所示，橫坐標(biāo)代表的是導(dǎo)通壓降 Vcesat ，縱坐標(biāo)代表的是開(kāi)關(guān)損耗 Etot 越接近原點(diǎn)，意外著損耗越低，可以看出，Nexperia IGBT產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)損耗和飽和壓降都明顯小于競(jìng)品 ABCD 。

圖 6 IGBT模塊在25°C 和 150°C 的折中曲線（ Vcesat-Etot ）

馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的損耗計(jì)算

為了更接近客戶的實(shí)際的應(yīng)用情況，如圖7是IGBT模塊在典型的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的損耗對(duì)比，其中 Vcesat ， VF的數(shù)據(jù)來(lái)源于同一測(cè)試平臺(tái)下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)關(guān)損耗 Eon+Eoff 是基于同一雙脈沖測(cè)試平臺(tái)在高溫150°C 額定電流 100A 的條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)，仿真模擬的是工業(yè)馬達(dá)連續(xù)運(yùn)行的工況，系統(tǒng)工作于母線電壓Vdc=600V，有效值電流 Irms=50A ，門級(jí)電阻Rgate=1.5?， 載波頻率 fsw=10KHz，調(diào)制比 m=0.8, 電機(jī)功率因數(shù) cosφ=0.8， 輸出頻率fout=50Hz。

仿真損耗的計(jì)算結(jié)果如下，在典型變頻器驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用條件下，Nexperia NP100T12P2T3 的 IGBT 產(chǎn)品, 其開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗均小于競(jìng)品 ABCD ，總功率損耗降低5%~24%。Nexperia 的 IGBT 產(chǎn)品整體降低了功率損耗，提升了變頻器的系統(tǒng)效率。

圖 7 IGBT 模塊在典型的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用條件的 Ploss 損耗

熱仿真

從熱仿真上可以直觀的看到節(jié)溫的分布，如圖8所示。對(duì)比安世半導(dǎo)體和競(jìng)品 A 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用做熱仿真，Nexperia 的 IGBT 最高節(jié)溫 Tjmax 會(huì)是116°C, 競(jìng)品的最高節(jié)溫 Tjmax 是119°C，比競(jìng)品 A 低3°C。

圖8 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中熱仿真

布局設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的布局設(shè)計(jì)也非常關(guān)鍵，通過(guò)精巧的布局設(shè)計(jì)與仿真對(duì)比，增加布線寬度，減小換流路徑長(zhǎng)度，增加換流路徑重合度及磁場(chǎng)相消，來(lái)達(dá)到最大程度的降低寄生電感的目的。

在 IGBT 關(guān)斷的過(guò)程中，IGBT 的電流下降產(chǎn)生較大的 di/dt, 由于回路中存在雜散電感，在IGBT 的上疊加反向電動(dòng)勢(shì)，delta V=L*di/dt。  產(chǎn)生較大的電壓尖峰，由于優(yōu)化了線路中的雜散電感，從而最終使得關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰盡可能小。減少關(guān)斷時(shí)候時(shí)的電壓過(guò)沖。

小結(jié)

基于前面的討論，安世半導(dǎo)體的 IGBT 模塊優(yōu)化了開(kāi)通損耗和導(dǎo)通損耗，同時(shí)兼顧高溫下的短路能力，實(shí)現(xiàn)更高電流密度和更好的可靠性，降低了整體的損耗且提高了系統(tǒng)的效率。同時(shí)設(shè)計(jì)通過(guò)精巧的布局，增加減小換流路徑長(zhǎng)度，增加換流路徑重合度及磁場(chǎng)相消，來(lái)達(dá)到最大程度的降低寄生電感的目的，模塊的最高工作運(yùn)行節(jié)溫達(dá)到150°C ，滿足馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的高溫150°C 短路耐受能力。

近年來(lái)，我國(guó)年工業(yè)生產(chǎn)總值不斷提高，但能耗比卻居高不下，高能耗比已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，為此國(guó)家投入大量資金支持節(jié)能降耗項(xiàng)目，變頻調(diào)速技術(shù)已越來(lái)越廣泛的應(yīng)用在各行各業(yè)，它不僅可以改善工藝，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高工作效率等，最重要的是它可以“節(jié)能降耗”，這一點(diǎn)已被廣大用戶所認(rèn)可，且深受關(guān)注。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年，具有高效節(jié)能功效的變頻器市場(chǎng)將受政策驅(qū)動(dòng)持續(xù)增長(zhǎng)。

作者：

張姍姍  IGBT產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理