能實現更高的電流密度和系統可靠性的IGBT模塊

隨著全球對可再生能源的日益關注以及對效率的需求，高效率，高可靠性成為功率電子產業不斷前行的關鍵。Nexperia（安世半導體）的 IGBT 產品系列優化了開關損耗和導通損耗, 兼顧馬達驅動需求的高溫短路耐受能力，實現更高的電流密度和系統可靠性。

自推出以來，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）由于其高電壓、大電流、低損耗等優勢特點，被廣泛應用于馬達驅動，光伏，UPS，儲能，汽車 等領域。

變頻器

變頻器由于“節能降耗”等優勢，廣泛的使用在電機驅動的各個領域。讓我們先來走進變頻器，看看變頻器的典型電路。

“交—直—交”電路是典型的變頻器拓撲電路，基于該拓撲結構的變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元、微處理單元等組成。變頻器靠 IGBT 的開關來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要，來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的。另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業自動化程度的不斷提高，變頻器廣泛的應用在紡織，港口，化工，石油，工程機械，物流等各類應用場景。

圖1 典型的馬達驅動變頻器的應用框圖

變頻節能

傳統用工頻（50Hz）電源直接驅動時的風量或水量調節方式落后。風機、泵類調節大部分仍采用閥門機械節流方式（調節入口或出口的擋板、閥門開度等降低風量或水量）。由于電機以恒定速度運行，因此即使降低風量和水量，耗電量也幾乎不會下降，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。容易產生能源的浪費。

風機、泵類當使用變頻調速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風機的轉速即可滿足要求。隨著轉速的降低，所需轉矩以平方的比例下降。輸出的功率也就成立方關系下降。 即可以實現大規模的降低輸出功率，降低耗電量。

風扇、風機、泵為代表的降轉矩負載來說，隨著轉速的降低，所需轉矩以平方的比例下降。而根據流體力學，功率=壓力×流量，流量和轉速的一次方是成正比的，壓力與轉速的平方是成正比的，功率和轉速的立方成正比，如果說水泵效率固定的話，當調節流量下降時，轉速就會成比例下降，輸出的功率也就成立方關系下降，所以說，水泵的轉速與電機耗電功率是近似立方比關系。

馬達驅動的短路能力

工業環境中的短路工業電機驅動器的工作環境相對惡劣，可能出現高溫、交流線路瞬變、機械過載、接線錯誤以及其它突發情況。其中有些事件可能會導致較大的電流流入電機驅動器的功率電路中。

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啟其中一條逆變器橋臂的兩個IGBT所導致的，而這種情況有可能是因為遭受了電磁干擾或控制器故障，也可能是因為臂上的其中一個 IGBT 故障導致的。  

2. 相對相短路。這可能是因為性能下降、溫度過高或過壓事件 導致電機繞組之間發生絕緣擊穿所引起的。

3. 相線對地短路。這同樣可能是因為性能下降、溫度過高或過壓事件導致電機繞組和電機外殼之間發生絕緣擊穿所引起的。

一般而言，電機可在相對較長的時間內（如毫秒到秒，具體取決于 電機尺寸和類型）吸收極高的電流，這對于應用在馬達驅動上的 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模塊可實現高溫150°C 10us 的短路能力。如圖3 IGBT 開關損耗、通態壓降和可靠性的三者的折中關系。Nexperia 的 IGBT 采用溝槽柵場終止技術，針對馬達驅動的應用優化了 Vcesat 導通損耗和開關損耗的性能，同時滿足高溫150°C 10us 的短路能力。

圖3 IGBT 開關損耗、通態壓降和可靠性的三者關系

IGBT模塊的靜態特性和動態性能對比

導通損耗是整體損耗的重要組成部分，我們選取了在市場上廣泛應用的不同廠商ABCD產品作為對照，在同樣的條件如高溫150°C，VGE=15V 時，從圖4的對比，我們可以讀出在額定電流100A條件下，競品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 產品NP100T12P2T3的飽和壓降，Vcesat 僅為2.27V，在高溫下，和競品ABCD相比，Vcesat 分別降低了10%，6%，11%，32%。極大的降低 IGBT 的靜態損耗。Nexperia 的 IGBT模塊表現出了優異的低 Vcesat 飽和壓降的特性。

圖4  IGBT模塊在 150°C 的 靜態特性（Ic-Vcesat )

IGBT模塊的動態性能對比

同樣馬達驅動的應用中對開關損耗尤為關注，我們選取了在市場上廣泛應用的不同廠商 ABCD 產品作為對照，對比Nexperia IGBT 產品 NP100T12P2T3 在不同電流下的開通損耗和關斷損耗的和值 Etot ( Eon+Eoff)，如圖 5所示 在 結溫150°C 的對比，紅色的曲線是安世 IGBT 產品 NP100T12P2T3，在額定電流100A的條件下，競品 A，B，C，D，開關損耗和值 Etot 分別為25.84mJ，24.52mJ，24.33mJ，29.19mJ，而Nexperia產品的開關損耗和值 Etot 僅為23.64mJ。在高溫下，和競品ABCD相比，開關損耗和值 Etot 分別降低了9%，4%，3%，23%，極大地降低 IGBT 在高開關頻率下的功率損耗。

圖 5 IGBT模塊在 150°C 的 開關特性（Eon+Eoff）

IGBT的折中曲線

圖6是在常溫25°C 和高溫150°C 時的開關損耗Etot和導通壓降 Vcesat 的折中關系對比。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注。如圖6所示，橫坐標代表的是導通壓降 Vcesat ，縱坐標代表的是開關損耗 Etot 越接近原點，意外著損耗越低，可以看出，Nexperia IGBT產品的開關損耗和飽和壓降都明顯小于競品 ABCD 。

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

馬達驅動的損耗計算

為了更接近客戶的實際的應用情況，如圖7是IGBT模塊在典型的馬達驅動的損耗對比，其中 Vcesat ， VF的數據來源于同一測試平臺下的實測數據，開關損耗 Eon+Eoff 是基于同一雙脈沖測試平臺在高溫150°C 額定電流 100A 的條件下的測試數據，仿真模擬的是工業馬達連續運行的工況，系統工作于母線電壓Vdc=600V，有效值電流 Irms=50A ，門級電阻Rgate=1.5?， 載波頻率 fsw=10KHz，調制比 m=0.8, 電機功率因數 cosφ=0.8， 輸出頻率fout=50Hz。

仿真損耗的計算結果如下，在典型變頻器驅動器應用條件下，Nexperia NP100T12P2T3 的 IGBT 產品, 其開關損耗和導通損耗均小于競品 ABCD ，總功率損耗降低5%~24%。Nexperia 的 IGBT 產品整體降低了功率損耗，提升了變頻器的系統效率。

圖 7 IGBT 模塊在典型的馬達驅動應用條件的 Ploss 損耗

熱仿真

從熱仿真上可以直觀的看到節溫的分布，如圖8所示。對比安世半導體和競品 A 馬達驅動應用做熱仿真，Nexperia 的 IGBT 最高節溫 Tjmax 會是116°C, 競品的最高節溫 Tjmax 是119°C，比競品 A 低3°C。

圖8 馬達驅動應用中熱仿真

布局設計

產品的布局設計也非常關鍵，通過精巧的布局設計與仿真對比，增加布線寬度，減小換流路徑長度，增加換流路徑重合度及磁場相消，來達到最大程度的降低寄生電感的目的。

在 IGBT 關斷的過程中，IGBT 的電流下降產生較大的 di/dt, 由于回路中存在雜散電感，在IGBT 的上疊加反向電動勢，delta V=L*di/dt。  產生較大的電壓尖峰，由于優化了線路中的雜散電感，從而最終使得關斷時的電壓尖峰盡可能小。減少關斷時候時的電壓過沖。

小結

基于前面的討論，安世半導體的 IGBT 模塊優化了開通損耗和導通損耗，同時兼顧高溫下的短路能力，實現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的效率。同時設計通過精巧的布局，增加減小換流路徑長度，增加換流路徑重合度及磁場相消，來達到最大程度的降低寄生電感的目的，模塊的最高工作運行節溫達到150°C ，滿足馬達驅動的高溫150°C 短路耐受能力。

近年來，我國年工業生產總值不斷提高，但能耗比卻居高不下，高能耗比已成為制約我國經濟發展的瓶頸，為此國家投入大量資金支持節能降耗項目，變頻調速技術已越來越廣泛的應用在各行各業，它不僅可以改善工藝，延長設備使用壽命，提高工作效率等，最重要的是它可以“節能降耗”，這一點已被廣大用戶所認可，且深受關注。預計未來幾年，具有高效節能功效的變頻器市場將受政策驅動持續增長。

作者：

張姍姍  IGBT產品市場經理