安世半導體IGBT模塊賦能馬達驅(qū)動應用

近年來，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(jié)能降耗項目，變頻調(diào)速技術(shù)已越來越廣泛的應用在各行各業(yè)，它不僅可以改善工藝，延長設(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”，這一點已被廣大用戶所認可，且深受關(guān)注。預計未來幾年，具有高效節(jié)能功效的變頻器市場將受政策驅(qū)動持續(xù)增長。

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(yōu)勢特點，被廣泛應用于馬達驅(qū)動，光伏，UPS，儲能，汽車 等領(lǐng)域。隨著全球?qū)稍偕茉吹娜找骊P(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)化了開關(guān)損耗和導通損耗, 兼顧馬達驅(qū)動需求的高溫短路耐受能力，實現(xiàn)更高的電流密度和系統(tǒng)可靠性。

變頻器

變頻器由于“節(jié)能降耗”等優(yōu)勢，廣泛的使用在電機驅(qū)動的各個領(lǐng)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(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）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元、微處理單元等組成。變頻器靠 IGBT 的開關(guān)來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要，來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)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(yè)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(qū)動變頻器的應用框圖

變頻節(jié)能

傳統(tǒng)用工頻（50Hz）電源直接驅(qū)動時的風量或水量調(diào)節(jié)方式落后。風機、泵類調(diào)節(jié)大部分仍采用閥門機械節(jié)流方式（調(diào)節(jié)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(chǎn)生能源的浪費。

風機、泵類當使用變頻調(diào)速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風機的轉(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。即可以實現(xiàn)大規(guī)模的降低輸出功率，降低耗電量。

風扇、風機、泵為代表的降轉(zhuǎn)矩負載來說，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，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，如果說水泵效率固定的話，當調(diào)節(jié)流量下降時，轉(zhuǎn)速就會成比例下降，輸出的功率也就成立方關(guān)系下降，所以說，水泵的轉(zhuǎn)速與電機耗電功率是近似立方比關(guān)系。

馬達驅(qū)動的短路能力

工業(yè)環(huán)境中的短路工業(yè)電機驅(qū)動器的工作環(huán)境相對惡劣，可能出現(xiàn)高溫、交流線路瞬變、機械過載、接線錯誤以及其它突發(fā)情況。其中有些事件可能會導致較大的電流流入電機驅(qū)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(fā)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(fā)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(nèi)（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(qū)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(xiàn)高溫150°C 10us 的短路能力。如圖3 IGBT 開關(guān)損耗、通態(tài)壓降和可靠性的三者的折中關(guān)系。Nexperia 的 IGBT 采用溝槽柵場終止技術(shù)，針對馬達驅(qū)動的應用優(yōu)化了 Vcesat導通損耗和開關(guān)損耗的性能，同時滿足高溫150°C 10us 的短路能力。

△圖3 IGBT 開關(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，我們選取了在市場上廣泛應用的不同廠商ABCD產(chǎn)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100（找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城）A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(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模塊的動態(tài)性能對比

同樣馬達驅(qū)動的應用中對開關(guān)損耗尤為關(guān)注，我們選取了在市場上廣泛應用的不同廠商 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，競品 A，B，C，D，開關(guān)損耗和值 Etot分別為25.84mJ，24.52mJ，24.33mJ，29.19mJ，而Nexperia產(chǎn)品的開關(guān)損耗和值 Etot僅為23.64mJ。在高溫下，和競品ABCD相比，開關(guān)損耗和值 Etot分別降低了9%，4%，3%，23%，極大地降低 IGBT 在高開關(guān)頻率下的功率損耗。

△圖5 IGBT模塊在150°C 的 開關(guān)特性（Eon+Eoff）

IGBT的折中曲線

圖6是在常溫25°C 和高溫150°C 時的開關(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的折中曲線備受客戶的關(guān)注。如圖6所示，橫坐標代表的是導通壓降 Vcesat，縱坐標代表的是開關(guān)損耗 Etot越接近原點，意外著損耗越低，可以看出，Nexperia IGBT產(chǎn)品的開關(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（Vcesat-Etot）

馬達驅(qū)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(qū)動的損耗對比，其中 Vcesat， VF的數(shù)據(jù)來源于同一測試平臺下的實測數(shù)據(jù)，開關(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(shù)據(jù)，仿真模擬的是工業(yè)馬達連續(xù)運行的工況，系統(tǒng)工作于母線電壓Vdc=600V，有效值電流 Irms=50A ，門級電阻Rgate=1.5?， 載波頻率 fsw=10KHz，調(diào)制比 m=0.8, 電機功率因數(shù) cosφ=0.8， 輸出頻率fout=50Hz。

仿真損耗的計算結(jié)果如下，在典型變頻器驅(qū)動器應用條件下，Nexperia NP100T12P2T3 的 IGBT 產(chǎn)品, 其開關(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(tǒng)效率。

△圖7 IGBT 模塊在典型的馬達驅(qū)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(jié)溫的分布，如圖8所示。對比安世半導體和競品 A 馬達驅(qū)動應用做熱仿真，Nexperia 的 IGBT 最高節(jié)溫 Tjmax會是116°C, 競品的最高節(jié)溫 Tjmax是119°C，比競品 A 低3°C。

△圖8 馬達驅(qū)動應用中熱仿真

布局設(shè)計

產(chǎn)品的布局設(shè)計也非常關(guān)鍵，通過精巧的布局設(shè)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(guān)斷的過程中，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 的上疊加反向電動勢，deltaV=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)斷時的電壓尖峰盡可能小。減少關(guān)斷時候時的電壓過沖。

小結(jié)

基于前面的討論，安世半導體的 IGBT 模塊優(yōu)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(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。同時設(shè)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(jié)溫達到150°C ，滿足馬達驅(qū)動的高溫150°C 短路耐受能力。

審核編輯：湯梓紅