【導讀】隨著(zhù)全球對可再生能源的日益關(guān)注以及對效率的需求，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（安世半導體）的 IGBT 產(chǎn)品系列優(yōu)化了開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗, 兼顧馬達驅動(dòng)需求的高溫短路耐受能力，實(shí)現更高的電流密度和系統可靠性。
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)勢特點(diǎn)，被廣泛應用于馬達驅動(dòng)，光伏，UPS，儲能，汽車(chē) 等領(lǐng)域。
變頻器
變頻器由于“節能降耗”等優(yōu)勢，廣泛的使用在電機驅動(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(dòng)單元、驅動(dòng)單元、檢測單元、微處理單元等組成。變頻器靠 IGBT 的開(kāi)關(guān)來(lái)調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實(shí)際需要，來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)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(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護等等。隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)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(lèi)應用場(chǎng)景。
圖1 典型的馬達驅動(dòng)變頻器的應用框圖
變頻節能
傳統用工頻（50Hz）電源直接驅動(dòng)時(shí)的風(fēng)量或水量調節方式落后。風(fēng)機、泵類(lèi)調節大部分仍采用閥門(mén)機械節流方式（調節入口或出口的擋板、閥門(mén)開(kāi)度等降低風(fēng)量或水量）。由于電機以恒定速度運行，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(mén)的截流過(guò)程中。容易產(chǎn)生能源的浪費。
風(fēng)機、泵類(lèi)當使用變頻調速時(shí)，如果流量要求減小，通過(guò)降低泵或風(fēng)機的轉速即可滿(mǎn)足要求。隨著(zhù)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(guān)系下降。 即可以實(shí)現大規模的降低輸出功率，降低耗電量。
風(fēng)扇、風(fēng)機、泵為代表的降轉矩負載來(lái)說(shuō)，隨著(zhù)轉速的降低，所需轉矩以平方的比例下降。而根據流體力學(xué)，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(shuō)水泵效率固定的話(huà)，當調節流量下降時(shí)，轉速就會(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)，水泵的轉速與電機耗電功率是近似立方比關(guān)系。
馬達驅動(dòng)的短路能力
工業(yè)環(huán)境中的短路工業(yè)電機驅動(dòng)器的工作環(huán)境相對惡劣，可能出現高溫、交流線(xiàn)路瞬變、機械過(guò)載、接線(xiàn)錯誤以及其它突發(fā)情況。其中有些事件可能會(huì )導致較大的電流流入電機驅動(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(gè) 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(guò)高或過(guò)壓事件 導致電機繞組之間發(fā)生絕緣擊穿所引起的。
3. 相線(xiàn)對地短路。這同樣可能是因為性能下降、溫度過(guò)高或過(guò)壓事件導致電機繞組和電機外殼之間發(fā)生絕緣擊穿所引起的。
一般而言，電機可在相對較長(cháng)的時(shí)間內（如毫秒到秒，具體取決于 電機尺寸和類(lèi)型）吸收極高的電流，這對于應用在馬達驅動(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(mǎn)足短路耐受的能力，Nexperia 的IGBT模塊可實(shí)現高溫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)，針對馬達驅動(dòng)的應用優(yōu)化了 Vcesat 導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗的性能，同時(shí)滿(mǎn)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(chǎng)上廣泛應用的不同廠(chǎng)商ABCD產(chǎn)品作為對照，在同樣的條件如高溫150°C，VGE=15V 時(shí)，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(chǎn)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(tài)損耗。Nexperia 的 IGBT模塊表現出了優(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)性能對比
同樣馬達驅動(dòng)的應用中對開(kāi)關(guān)損耗尤為關(guān)注，我們選取了在市場(chǎng)上廣泛應用的不同廠(chǎng)商 ABCD 產(chǎn)品作為對照，對比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 結溫150°C 的對比，紅色的曲線(xiàn)是安世 IGBT 產(chǎn)品 NP100T12P2T3，在額定電流100A的條件下，競品 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(xiàn)
圖6是在常溫25°C 和高溫150°C 時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗Etot和導通壓降 Vcesat 的折中關(guān)系對比。IGBT工作在大電流高電壓，高溫150°C的折中曲線(xiàn)備受客戶(hù)的關(guān)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(kāi)關(guān)損耗 Etot 越接近原點(diǎn)，意外著(zhù)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品 ABCD 。
圖 6 IGBT模塊在25°C 和 150°C 的折中曲線(xiàn)（ Vcesat-Etot ）
馬達驅動(dòng)的損耗計算
為了更接近客戶(hù)的實(shí)際的應用情況，如圖7是IGBT模塊在典型的馬達驅動(dòng)的損耗對比，其中 Vcesat ， VF的數據來(lái)源于同一測試平臺下的實(shí)測數據，開(kāi)關(guān)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(yè)馬達連續運行的工況，系統工作于母線(xiàn)電壓Vdc=600V，有效值電流 Irms=50A ，門(mén)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(dòng)器應用條件下，Nexperia NP100T12P2T3 的 IGBT 產(chǎn)品, 其開(kāi)關(guān)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(chǎn)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(dòng)應用條件的 Ploss 損耗
熱仿真
從熱仿真上可以直觀(guān)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(dòng)應用做熱仿真，Nexperia 的 IGBT 最高節溫 Tjmax 會(huì )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(dòng)應用中熱仿真
布局設計
產(chǎn)品的布局設計也非常關(guān)鍵，通過(guò)精巧的布局設計與仿真對比，增加布線(xiàn)寬度，減小換流路徑長(cháng)度，增加換流路徑重合度及磁場(chǎng)相消，來(lái)達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，delta V=L*di/dt。 產(chǎn)生較大的電壓尖峰，由于優(yōu)化了線(xiàn)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
基于前面的討論，安世半導體的 IGBT 模塊優(yōu)化了開(kāi)通損耗和導通損耗，同時(shí)兼顧高溫下的短路能力，實(shí)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(shí)設計通過(guò)精巧的布局，增加減小換流路徑長(cháng)度，增加換流路徑重合度及磁場(chǎng)相消，來(lái)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(mǎn)足馬達驅動(dòng)的高溫150°C 短路耐受能力。
近年來(lái)，我國年工業(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經(jīng)濟發(fā)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(shù)已越來(lái)越廣泛的應用在各行各業(yè)，它不僅可以改善工藝，延長(cháng)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(diǎn)已被廣大用戶(hù)所認可，且深受關(guān)注。預計未來(lái)幾年，具有高效節能功效的變頻器市場(chǎng)將受政策驅動(dòng)持續增長(cháng)。
作者：
張姍姍 IGBT產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理
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