普控科技11kW超高功率密度變頻器產(chǎn)品定義、設(shè)計和驗證

本文出自變頻器企業(yè)的設(shè)計團隊，全面介紹了滿足IEC61800-9變頻產(chǎn)品國際新能效標準的11kW重載型變頻器產(chǎn)品定義、設(shè)計和驗證，包括新一代IGBT7 - FP50R12W2T7_B11的選型、整機效率、溫升、dv/dt、EMC等。

隨著我國穩(wěn)步推進能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，持續(xù)推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，在“雙碳”目標（碳達峰與碳中和）指引下，變頻器（Variable Frequency Drive,VFD）和電機組成的傳動系統(tǒng)（Power Drive System，PDS）的能效指標變得尤為重要。因此，采用全新一代功率器件IGBT7和新高能效控制軟件的變頻器產(chǎn)品設(shè)計，可以為行業(yè)應(yīng)用帶來顯著的節(jié)能效益和性能提升，更好地適應(yīng)IEC61800-9等變頻產(chǎn)品國際新能效標準的要求。

本文將介紹基于英飛凌TRENCHSTOP IGBT7系列EasyPIM 2B 1200V 50A模塊FP50R12W2T7_B11開發(fā)的新一代超高功率密度11kW重載型通用變頻器，該變頻器具有體積小，功率密度高，滿載效率可達98.1%，可適配IE3/4及以上高能效三相異步電動機電機及高速同步電機，支持多種總線通訊，具備Wi-Fi IoT云連接能力等特點。同時，本設(shè)計內(nèi)置EMC濾波器，可滿足IEC61800-3 C3類要求。特別適合高效率、高性能風(fēng)機、泵類、壓縮機驅(qū)動等應(yīng)用場合。

變頻器主要參數(shù)：

外形尺寸：高220mm*寬115mm*深180mm，由于IGBT7器件的高效率、低損耗的特性，有效減小了散熱器尺寸，使得本設(shè)計將11kW變頻器的尺寸降低到傳統(tǒng)7.5kW變頻器的尺寸水平，遠領(lǐng)先于市場上同類產(chǎn)品，見下表：

輸出額定功率Pld=11kW

輸出額定電流Ild=23A（環(huán)境溫度45℃，每10分鐘可承受1分鐘150%過載）

效率Efficiency>98%

本設(shè)計11kW與市場主流7.5kW產(chǎn)品外形

英飛凌IGBT7芯片和模塊

IGBT是變頻器中實現(xiàn)變頻變壓的核心元件，本設(shè)計采用的是英飛凌的EasyPIM2B的模塊FP50R12W2T7_B11，該模塊采用最新一代的IGBT7技術(shù)，與傳統(tǒng)的IGBT4相比，IGBT7采用了MPT微溝槽技術(shù)和更薄的晶圓，通過對元胞結(jié)構(gòu)和間距的精心設(shè)計，改善了寄生電容參數(shù)，降低了導(dǎo)通損耗，并提供了更好的dv/dt可控性。

這一針對電機驅(qū)動定義的芯片在具體在變頻器設(shè)計中，優(yōu)勢明顯：

1.

封裝降級

高功率密度，將50A的模塊從Econo2封裝尺寸減小到Easy 2B的尺寸，占用板面積減小43.7%

FP50R12KT4

長107.5mm*寬45mm

FP50R12W2T7_B11

長56.7mm*寬48mm

2.

與實際應(yīng)用更匹配的結(jié)溫特性

由于變頻器是實際應(yīng)用場合通常存在短時過載的工況，短時過載時，會造成IGBT實際結(jié)溫進一步升高（如藍色曲線的突起部分），與傳統(tǒng)IGBT4相比，IGBT7將過載下的最大結(jié)溫提高到175℃，過載和不過載結(jié)溫設(shè)計限制分開考慮，模塊能力的使用更充分。

設(shè)計驗證

1.

dv/dt

IGBT開通電阻Ron阻值選擇為11.2ohm，測得dv/dt=4.57kV/us，符合電機絕緣要求。

2.

硬件過流保護

硬件過流點為64A，保護動作延遲時間6us<8us，滿足IGBT7短路時間要求。

3.

EMC測試

該變頻器甚至可滿足C2-5m的EMC要求。

i.傳導(dǎo)極限值和測試

ii.輻射極限值和測試

4.

效率

在永磁同步機負載條件下，輸出19.5A，輸出功率11.3kW時，整機效率可達98.1%。

5.

溫升

該變頻器在如上工況穩(wěn)定運行1小時，測得IGBT模塊的溫升數(shù)據(jù)如下：

計算上述工況IGBT模塊損耗如下：

根據(jù)熱阻數(shù)據(jù)推算IGBT結(jié)溫約73℃，按環(huán)境溫度45℃折算，該工況的IGBT結(jié)溫約為100℃，設(shè)計裕量充足。

系統(tǒng)設(shè)計要點

1.

散熱設(shè)計

該變頻器尺寸小，功率大，如何將熱量快速的散出是系統(tǒng)設(shè)計的一大難點，對比多種布局方案，下圖的布局方案系統(tǒng)的風(fēng)阻小，流過散熱器的風(fēng)量大，能將模塊的熱量快速散出，母線電容與散熱器之間用塑膠件隔開，且有一定風(fēng)量流過母線電容表面，降低母線電容周圍的環(huán)境溫度，提高了電容壽命。

2.

IGBT驅(qū)動設(shè)計

本設(shè)計采用英飛凌的1ED3121MU12H驅(qū)動IC，該芯片的開通電阻和關(guān)斷電阻可分開配置，有高達5.5A的峰值驅(qū)動電流，足以驅(qū)動該模塊的IGBT；驅(qū)動IC有高達200kV/us的共模抑制比，可減小傳遞到控制側(cè)的IGBT開關(guān)干擾；芯片本身原、副邊之間>8mm的電氣間隙滿足爬電距離要求；可直接接收MCU的3.3V PWM信號，與MCU內(nèi)置的硬件比較保護PWM關(guān)斷功能完美匹配，簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

結(jié)論

英飛凌的新一代IGBT7模塊配合5.5A驅(qū)動能力的EiceDRIVER驅(qū)動器，可以把變頻器的功率密度大幅提高，從而提高整機性能，降低系統(tǒng)成本和整個產(chǎn)品壽命周期和擁有成本，增強市場競爭力。