【導讀】變頻器在設計上不斷的推陳出新，為了提高功率密度并降低成本，工程師更是絞盡腦汁。IGBT（絕緣柵型雙極性晶體管）在變頻器里屬于關(guān)鍵器件，其選型和損耗直接關(guān)系散熱器的大小，也直接影響著(zhù)系統的性能、成本和尺寸。
本文從變頻器的應用特點(diǎn)出發(fā)，結合第七代IGBT的低飽和壓降和最大運行結溫等特點(diǎn)，介紹了第七代IGBT如何助力變頻器應用。
本文通過(guò)分析變頻器的損耗組成，并通過(guò)熱仿真對比第四代IGBT和第七代IGBT的性能，最后通過(guò)實(shí)驗來(lái)驗證結論。相同工況下IGBT7損耗和結溫明顯低于IGBT4，這樣可以減小變頻器的體積或是保持相同體積下增大輸出電流，實(shí)現功率跳檔，從而提高產(chǎn)品的功率密度。
01 引言
電機在家電、傳動(dòng)、交通運輸、新能源和工業(yè)機器人等行業(yè)有著(zhù)非常廣泛的應用。電機驅動(dòng)著(zhù)我們日常的工作和娛樂(lè )。低壓變頻器作為驅動(dòng)電機的主要產(chǎn)品，因調速范圍廣、操作簡(jiǎn)單，能夠實(shí)現節能、軟起、提效等功能，應用非常廣泛，如電梯、風(fēng)機、水泵、紡織、冶金等行業(yè)。
2021年是“十四五”規劃開(kāi)局之年，中國敲定了碳中和的路線(xiàn)圖，力爭在2030年前達到二氧化碳排放峰值，2060年前實(shí)現碳中和。目前中國制造業(yè)正在開(kāi)展新一輪轉型升級，這對工業(yè)設備的性能提出了更高的要求，節能、綠色驅動(dòng)的方式將成為主流，這又將推動(dòng)變頻器市場(chǎng)的增長(cháng)，尤其是新一代更高功率密度的產(chǎn)品。
低壓通用變頻器市場(chǎng)競爭非常激烈，針對目前的市場(chǎng)需求，主要廠(chǎng)商加大研發(fā)投入降低產(chǎn)品成本、提升產(chǎn)品性能。而變頻器電路拓撲主要采用交-直-交變頻，電路拓撲固定，且發(fā)展相對緩慢。變頻器產(chǎn)品的發(fā)展特點(diǎn)在硬件上就集中體現為減小尺寸、提高功率密度從而降低成本。
從硬件角度講，低壓通用變頻器的特點(diǎn)主要有：
● 交-直-交：不控制整流+制動(dòng)單元+三相逆變；
● 低開(kāi)關(guān)頻率：額定4KHz~6kHz，如提高開(kāi)關(guān)頻率會(huì )降額；
● 短時(shí)過(guò)載需求：150%過(guò)載/1分鐘；
針對通用變頻器的這些應用特點(diǎn)，英飛凌公司推出了第七代IGBT模塊。那么第七代IGBT模塊對比目前市場(chǎng)主要使用的第四代的IGBT模塊在變頻器應用中的優(yōu)勢體現在哪里呢？是如何做到提高功率密度的？本文將通過(guò)仿真和實(shí)驗來(lái)探究。
02 IGBT7芯片技術(shù)
目前IGBT芯片技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第七代的水平，以英飛凌的IGBT的芯片技術(shù)為例，從最開(kāi)始的PT技術(shù)，到NPT平面柵，再到溝槽柵，現在到了第七代，也就是微溝槽柵（簡(jiǎn)稱(chēng)MPT，下同）技術(shù)。IGBT7采用了基于MPT的IGBT結構。在n-襯底的底部，通過(guò)p+摻雜實(shí)現了集電極區。在n-襯底和和p+之間，通過(guò)n+摻雜實(shí)現了場(chǎng)截止（FS）結構。它可以使電場(chǎng)急劇下降，同時(shí)會(huì )影響器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。
與IGBT4相區別的是，IGBT7里的溝槽除了包含常見(jiàn)的有緣柵極，還有發(fā)射極溝槽和偽柵極，后兩種溝槽是無(wú)效溝槽。這三種溝槽單元類(lèi)型能夠精細化定制IGBT。通過(guò)增加有源柵極密度，能夠增加單位芯片面積上的導電溝道。一方面，由于器件輸出特性曲線(xiàn)更陡，可降低靜態(tài)損耗[1][2] [3]。當然，帶來(lái)的影響還有柵極-發(fā)射極電容（CGE）增加，代表著(zhù)其開(kāi)關(guān)參數也發(fā)生了變化。
圖1.英飛凌芯片技術(shù)
到具體應用層面，IGBT7的優(yōu)勢總結為：
● 更低的導通飽和壓降Vcesat；
● 最高短時(shí)工作結溫可以到175℃；
● 針對電機驅動(dòng)類(lèi)應用的dv/dt特性?xún)?yōu)化；
03 IGBT7技術(shù)應用在變頻器
IGBT7設計的初衷是針對電機驅動(dòng)的應用。通過(guò)減少功率器件的總損耗和提高過(guò)載條件下的最高結溫到175℃來(lái)提高功率密度、減少系統尺寸最終達到降低系統成本的目的。為什么IGBT7適合變頻器應用呢？
1. 變頻器應用中，一般情況下，額定開(kāi)關(guān)頻率范圍4KHz~6KHz。在此工況下，總損耗中導通損耗占比最大。IGBT7通過(guò)降低Vcesat來(lái)減少導通損耗。從而達到降低總損耗的目的；
2. IGBT7支持最高175℃的運行結溫，有效滿(mǎn)足變頻器過(guò)載的需求；
3. IGBT7 PIM模塊集成有整流橋、制動(dòng)單元和逆變橋，為變頻器量身定做。
接下來(lái)，結合5.5KW變頻器，通過(guò)仿真和實(shí)驗來(lái)驗證IGBT7在變頻器應用中的優(yōu)勢。
首先我們可以通過(guò)仿真來(lái)評估IGBT7在變頻器應用中的結溫和損耗分布。PLECS涉及到電能轉換系統的電氣回路，磁性元件，散熱回路和機械以及其控制部分可以提供快速的仿真。本文使用Icepak和PLECS混合熱仿真實(shí)驗，并計算損耗和結溫。
圖2.仿真和實(shí)驗流程圖
3.1 建立PLECS器件模型
（1）雙脈沖測試
雖然器件規格書(shū)上會(huì )有開(kāi)關(guān)損耗的數據，但是母線(xiàn)電壓、結溫、主功率回路的雜散電感、門(mén)極回路的寄生電感和寄生電阻都會(huì )對開(kāi)關(guān)損耗產(chǎn)生影響[4]。通過(guò)雙脈沖測試可以得到IGBT7的開(kāi)關(guān)損耗和二極管的反向恢復損耗。當然還可以得到各電壓電流尖峰值，斜率變化值在內的動(dòng)態(tài)參數。本次實(shí)驗直接在整機的主功率電路板上做雙脈沖測試，這樣測得的數據更加符合實(shí)際。
本次測試選取了室溫、35℃、75℃和125℃這四種不同的溫度，得到IGBT7的關(guān)斷損耗和開(kāi)通損耗。因第七代IGBT使用了MPT技術(shù)，在維持較低dv/dt的情況下，驅動(dòng)電阻可以選的更小[5]，所以本次雙脈沖測試驅動(dòng)電阻（Rg）選取10歐姆和15歐姆，如圖3和圖4所示。
圖3.Rg=15Ω時(shí)IGBT7關(guān)斷損耗實(shí)測數據
圖4.Rg=15Ω時(shí)IGBT7開(kāi)通損耗實(shí)測數據
(2)創(chuàng )建器件模型
基于規格書(shū)的數據，將Vcesat與Ic（集電極電流）的輸出特性曲線(xiàn)導入到PLECS器件模型里，再加上之前得到的開(kāi)關(guān)損耗，就可以得到IGBT和反并聯(lián)二極管的損耗模型。最后輸入四階的瞬態(tài)熱阻，就可以得到IGBT7的PLECS熱模型了，如圖5所示。
圖5.IGBT7器件模型
3.2 3D和PLECS聯(lián)合熱仿真結果
采用3D和PLECS聯(lián)合熱仿真的目的是提高仿真結果的精度。IGBT和二極管芯片產(chǎn)生的絕大部分的熱量通過(guò)圖6中縱向的熱阻傳遞到環(huán)境中；只有極少部分的熱量橫向傳遞，在本文中可以忽略不計。從熱等效網(wǎng)絡(luò )可見(jiàn)，Rth,c-h（散熱器熱阻，下同）的精度直接影響到IGBT芯片結溫的估算。PLECS的優(yōu)勢是可以通過(guò)仿真得到損耗和芯片結溫，而3D熱仿真的優(yōu)勢是可以得到散熱器熱阻值。采用3D和PLECS聯(lián)合熱仿真的目的是提高仿真結果的精度。
圖6.IGBT熱等效網(wǎng)絡(luò )
基于第七代IGBT FP25R12W2T7，使用PLECS仿真計算出損耗后，導入到3D熱仿真可以得到散熱器的熱阻，再將散熱器熱阻導入到PLECS迭代后重新仿真，可以得到IGBT和二極管的晶圓的結溫，具體結果請參見(jiàn)表1。表1和表2中“仿真模式”一列中的熱阻指的是散熱器熱阻Rth,c-h。
仿真條件如下：
● 母線(xiàn)電壓Vdc=540V；
● 調制比為1；
● 輸出頻率為50Hz；
● 散熱器的時(shí)間常數為67s；
● 輸出功率因數為0.85；
表1.IGBT7熱仿真結果
接著(zhù)再用相同的方法，針對25A的第四代IGBT FP25R12W2T4做仿真，得到其損耗。如下表2所示：
表2.IGBT4的熱仿真結果
以上仿真均按照實(shí)際運行工況的運行參數，從仿真結果對比來(lái)看，相同工況下IGBT7的損耗明顯低于IGBT4；并且隨著(zhù)電流的增加或開(kāi)關(guān)頻率的增加，損耗的差距越大，如表3所示。
表3.熱仿真損耗對比
04 IGBT7和IGBT4
在變頻器應用中的性能對比
4.1 實(shí)驗平臺搭建
本文選用偉創(chuàng )AC310系列5.5KW變頻器搭建測試平臺。IGBT模塊分別使用經(jīng)過(guò)特殊處理的芯片粘有熱電偶的第七代25A 的FP25R12W2T7和第四代同樣是25A的FP25R12W2T4。因為兩個(gè)模塊是同封裝同引腳，所以可以在相同的機器上測試；再加上這兩個(gè)模塊所粘溫升線(xiàn)的芯片的位置相同，可以直接讀出相同位置芯片上的結溫，這樣方便直接對比IGBT4和IGBT7的芯片結溫。
圖7.芯片粘有溫升線(xiàn)的IGBT模塊
對散熱器進(jìn)行打孔處理，分別在U相下橋IGBT、V相上橋二極管和整流橋二極管正下方打孔，將熱電偶深入孔中，緊貼散熱器基板側面并與散熱器表面齊平，用來(lái)測量散熱器的溫度。
圖8.打孔散熱器
4.2 實(shí)驗結果
對應前文的仿真，在溫升測試中仍然按照這四個(gè)工況測試：13A/2kHz、13A/4kHz、13A/6kHz和17A/2kHz。分別監測并記錄：IGBT芯片的結溫、U相下橋IGBT芯片正下方散熱器溫度，V相上橋二極管芯片正下方散熱器溫度和整流橋二極管芯片正下方散熱器溫度；監測記錄輸入電流；監測輸出電流。記錄并對比實(shí)驗結果，如表4所示。
表4.IGBT7與IGBT4的熱測試對比
4.3 實(shí)驗結果分析
實(shí)驗結果顯示，IGBT7的芯片結溫在相同工況下明顯低于IGBT4；并且隨著(zhù)輸出電流的增大，IGBT7和IGBT4的溫升的差值在增加。從實(shí)驗結果中還可以看到，隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的提高，IGBT7與IGBT4溫升的差值也越來(lái)越大，這是因為目前工程師在使用IGBT4時(shí)，往往取的驅動(dòng)電阻值較大，這一點(diǎn)從IGBT4的仿真結果就可以看出是一致的。
4.4 實(shí)驗誤差分析
本次實(shí)驗兩個(gè)模塊同為熱電偶模塊，并且使用相同散熱器。測試最終結果為其溫升的差異，是相對值，這符合單變量原則。
但考慮到本次測試T7和T4模塊都有內置熱電偶，這是與標準模塊的一個(gè)不同點(diǎn)；再加上散熱器打孔，會(huì )增大散熱器的熱阻。這兩點(diǎn)對于實(shí)驗得出溫度的絕對值的差異需要得到進(jìn)一步探究。
設計如下兩組實(shí)驗來(lái)探究以上兩點(diǎn)對溫升絕對值的影響。
第一組：使用相同模塊，不同散熱器
表5.散熱器誤差對比測試
第二組：使用相同散熱器，不同的模塊
表6.模塊誤差對比測試
兩組測試反應出隨著(zhù)工況的惡劣程度的加深，誤差越大。這也解釋了為什么隨著(zhù)損耗的增加，仿真得到的IGBT結溫Tvj與實(shí)測得到的熱電偶溫度之間的差值越來(lái)越大。
4.5 設計總結
目前5.5KW變頻器一般使用的是第四代35A IGBT模塊如英飛凌的FP35R12W2T4，或類(lèi)似電流等級和封裝的其它模塊。根據以上仿真和實(shí)驗的驗證，IGBT7可以從兩個(gè)思路幫助變頻器提高功率密度：其一，5.5KW變頻器將模塊更換為第七代同封裝35A的IGBT模塊，可以直接將5.5KW的變頻器功率提到到7.5KW并保持整機尺寸不變，從而提高整機功率密度，相當于將功率密度提高40%~70%，如圖9所示；其二，5.5KW變頻器將第四代35A的Easy2B IGBT模塊更換為體積更小的第七代25A的Easy1B模塊，可以直接將變頻器的外形尺寸降低25%~40%。
圖9.IGBT7助力變頻器功率跳檔
05 結論
通過(guò)一系列仿真和測試，可以明顯的看到英飛凌第七代IGBT通過(guò)降低Vcesat來(lái)降低逆變器總損耗和降低芯片結溫，在再加上可以做到最高到175℃的運行結溫，這些給工程師帶來(lái)了很大的設計裕量，從而助力變頻器功率跳檔。既可以通過(guò)減小變頻器的尺寸，提高功率密度，降低成本；也可以保持原有變頻器體積不變，增大輸出電流，功率跳檔從而達到提高功率密度、降低成本的目標。
參考文獻
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[2] C. R. Mueller., “New 1200 V IGBT and Diode Technology with Improved Controllability for Superior Performance in Drives Application”, PCIM Europe, Nuremberg, Germany, 2018
[3] 論文|1200V IGBT7和Emcon7可控性更佳，助力提升變頻器系統性能（上）？2019年2月19日
[4] 英飛凌工業(yè)半導體 雙脈沖測試基礎系列：為什么我測的損耗和規格書(shū)不一樣？2021年4月22日
[5] 英飛凌工業(yè)半導體 突破—IGBT7的高功率密度設計實(shí)例， 2020年5月13日
[6] 偉創(chuàng )變頻器官網(wǎng) https://www.veichi.com/
來(lái)源：英飛凌，原創(chuàng )：趙愷，陳慧凱，張浩等
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