《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 電源技術(shù) > 解決方案 > 英飛凌以創(chuàng)新的IGBT技術(shù),、合理的器件選型和有效的系統(tǒng)手段優(yōu)化變頻器設(shè)計(jì)

英飛凌以創(chuàng)新的IGBT技術(shù),、合理的器件選型和有效的系統(tǒng)手段優(yōu)化變頻器設(shè)計(jì)

2011-03-16

  全球?qū)τ?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/節(jié)能" title="節(jié)能" target="_blank">節(jié)能和綠色能源的需求使得馬達(dá)變頻驅(qū)動在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域不斷增長,甚至還擴(kuò)展到民用產(chǎn)品和汽車領(lǐng)域,。因此在過去幾年,,市場對變頻器的需求量和相應(yīng)的產(chǎn)量一直在持續(xù)增長,。隨著產(chǎn)量的不斷擴(kuò)大和技術(shù)趨向成熟,變頻器市場競爭也日益激烈,,對產(chǎn)品性價比的要求不斷提高,。

  標(biāo)準(zhǔn)的三相交流驅(qū)動變頻器使用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)來實(shí)現(xiàn)主電路中的6個開關(guān),現(xiàn)在除少量小功率,、低成本變頻器采用分立IGBT器件外,,一般工業(yè)變頻器均采用模塊化IGBT(包括IPM)。模塊化概念為用戶提供了一個采用絕緣封裝且經(jīng)過檢驗(yàn)的功率開關(guān)組件,,從而減輕了設(shè)計(jì)工作量,,改進(jìn)系統(tǒng)性能,并提高了變頻器的功率等級,。

  但即便使用IGBT模塊,,設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)依然存在,。由于IGBT模塊的惡劣工作條件(在高壓和高溫下對大電流進(jìn)行開關(guān)控制)和半導(dǎo)體器件固有弱點(diǎn),設(shè)計(jì)工程師必須在確保IGBT模塊能夠安全工作的同時,,發(fā)揮其最大性能以實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)計(jì),。

  本文將首先陳述變頻器設(shè)計(jì)工程師所面臨的主要挑戰(zhàn),然后介紹來自英飛凌科技的創(chuàng)新IGBT芯片和封裝技術(shù)及支持工具,,并簡要陳述這些解決方案的優(yōu)點(diǎn),。

  變頻器設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

  IGBT能夠安全運(yùn)行是應(yīng)用的首要要求。安全運(yùn)行有兩個基本的條件,,超越這兩個條件運(yùn)行可引起器件的永久性損壞,,這兩個條件分別是:

  1) Vce ≤ Vces,其中Vce是集電極-發(fā)射極瞬態(tài)電壓,,Vces是IGBT芯片的阻斷電壓(數(shù)據(jù)表上規(guī)定為600V/1200V/1700V/3.3kV/6.5kV)

  2) Tj ≤ Tvj,,op,max,,其中Tj是IGBT芯片的瞬時結(jié)溫,,Tvj,op,,max(數(shù)據(jù)表上規(guī)定為125℃或150℃)是進(jìn)行開關(guān)工作時所允許的最大結(jié)溫

  要在應(yīng)用中遵循這兩個條件,,必須先理解Vce和Tj是如何建立的。

  首先,,在變頻器電路結(jié)構(gòu)中,,IGBT半橋由直流側(cè)供電,直流側(cè)電壓Vdc幾乎恒定,。受電路的電磁場和材料的影響,,系統(tǒng)中存在分布電感(見圖1),當(dāng)IGBT以di/dt的速率將電流關(guān)斷時,,Vce等于Vdc和一個感應(yīng)電壓di/dt×Ls之和,,即Vce = Vdc + di/dt×Ls,其中Ls是直流側(cè)和相關(guān)半橋所形成的環(huán)路的分布電感,。Vdc已由應(yīng)用中的電源或電池電壓固定,,因此必須限制di/dt和Ls來使Vce ≤ Vces。

  需要注意的是:

  * di/dt是IGBT芯片的技術(shù)特性,,它代表IGBT的“軟化度”,,受門極電阻Rg的影響,,但不完全受Rg控制,。

  * Ls可分成兩個部分,一部分處于相關(guān)半橋之外(Ls1),,另一部分處于半橋之內(nèi)(Ls2),。Ls1由半橋外部連接到直流側(cè)的布局結(jié)構(gòu)決定,,而Ls2則由半橋內(nèi)的布局結(jié)構(gòu)決定。

  

  因此,,設(shè)計(jì)工程師所面臨的挑戰(zhàn)之一是如何調(diào)節(jié)IGBT關(guān)斷時的di/dt,,以及如何減小Ls。使用合適的緩沖電路能平衡Ls1,,但對Ls2沒有影響,。

  其次,IGBT的Tj是由IGBT的功率損耗,、熱阻(結(jié)和環(huán)境之間)和環(huán)境溫度決定的,,即Tj = P_loss×Rthja + Ta。如果將Rthja分成Rthjc(結(jié)殼之間),、Rthch(管殼和散熱器之間)和Rthha(散熱器和環(huán)境之間)三部分,,就可以用三個公式來表示Tj,其中Tc是IGBT管殼的溫度,,Th是散熱器的溫度:

  * Tj = P_loss×Rthjc + Tc

  * Tc = P_loss×Rthch + Th

  * Th = P_loss×Rthha + Ta

  當(dāng)變頻器工作在正弦脈寬調(diào)制時,,需用IGBT器件的熱阻抗(Zthjc)模型來描述其總體熱特性。Tj是波動的,,其波動幅度隨變頻器輸出頻率而變化,。

  但在實(shí)際應(yīng)用中Tj很難測量。為滿足Tj ≤ Tvj,,op,,max同時最大限度發(fā)揮IGBT的能力,需要準(zhǔn)確估算Tj,,要估算Tj則首先須知道IGBT的功率損耗,。IGBT的功率損耗由IGBT芯片工藝、工作條件(即Vdc,、輸出電流,、開關(guān)頻率、調(diào)制深度和負(fù)載功率因數(shù))和門極電壓,、Rg等門極驅(qū)動條件決定,,所以在正弦脈寬調(diào)制情況下IGBT功率損耗的計(jì)算十分復(fù)雜。

  因此,,設(shè)計(jì)工程師面對的又一挑戰(zhàn)是如何在考慮到各種相關(guān)條件情況下計(jì)算IGBT的功率損耗,,并使用Zthjc模型來估算Tj的瞬時值。

  第三,,對于像電動汽車(小汽車,、公交車)這樣的應(yīng)用,變頻器的可靠性是一個需要專門考慮的問題,而這基本上是所用IGBT模塊可靠性的問題,。為高可靠性而設(shè)計(jì)的IGBT模塊采用了特殊材料工藝,,所以其成本要比標(biāo)準(zhǔn)可靠性的模塊高。因此設(shè)計(jì)工程師在這一領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)是如何將成本保持在可接受的程度,,同時滿足應(yīng)用對可靠性的要求,。

  第四,在中國的一個特殊情況是,,日趨激烈的變頻器市場競爭使變頻器產(chǎn)品的上市時間比過去任何一個時候都更加關(guān)鍵,,這最終導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)時間非常緊迫。而同時由于經(jīng)濟(jì)上的原因,,許多國內(nèi)的變頻器制造廠商對于研發(fā)的投入又十分有限,。因此對于中國的設(shè)計(jì)工程師來說,如何使用有限的研發(fā)資源在短時間內(nèi)完成變頻器設(shè)計(jì),,是他們所面臨的一個特殊的挑戰(zhàn),。

  多種解決方案幫助完成設(shè)計(jì)

  針對變頻器設(shè)計(jì)工程師所面臨的設(shè)計(jì)難題,英飛凌科技提供了下列解決方案來支持應(yīng)用設(shè)計(jì):

  1.創(chuàng)新的IGBT芯片工藝

  繼第3代溝槽場終止型IGBT(IGBT3:E3,、T3)之后,,英飛凌現(xiàn)在又推出了三種版本的第4代1200V IGBT(IGBT4),包括

  * 高功率版本(HiPo):具有更好的軟化度(關(guān)斷時更低的di/dt)和比E3更低的Vcesat

  * 中等功率版本(MePo):軟化度和E3相同,,但速度更快(更低的Eoff)

  * 低功率版本(LoPo):速度比T3快,,軟化度也比T3好

  另外,IGBT4在關(guān)斷時的di/dt可完全受Rg控制,,這是它的另一個優(yōu)點(diǎn),。基于軟化度的提高,,IGBT4從下面幾個角度降低了變頻器尤其是大功率變頻器的設(shè)計(jì)難度:

  * 允許更高的直流側(cè)電壓(從而能更好地利用IGBT的阻斷能力)

  * 簡化了緩沖電路(從而降低了系統(tǒng)成本)

  * 在相同的直流側(cè)電壓和安全容限下,,可用較低的Rg值來達(dá)到較快的開關(guān)速度(從而使開關(guān)損耗保持不變)

  2.創(chuàng)新的封裝技術(shù)

  我們很快還將會推出一種被稱為PrimePACK的全新模塊封裝(見圖2)。

  

  PrimePACK采用半橋電路結(jié)構(gòu),,提供兩種封裝尺寸(PrimePACK2和PrimePACK3),,分別對應(yīng)于400A-900A和1400A兩種電流規(guī)格,有1200V和1700V兩個系列,。作為一種全新的面向中,、高功率應(yīng)用的IGBT模塊系列,PrimePACK的主要特點(diǎn)是減小了封裝電感,?;诟倪M(jìn)的功率端子布局和內(nèi)部結(jié)構(gòu),PrimePACK與現(xiàn)有的IHM 130×140封裝相比其封裝電感減小了60%,,顯著降低了減小環(huán)路分布電感(Ls)的設(shè)計(jì)難度,。

  全球?qū)τ诠?jié)能和綠色能源的需求使得馬達(dá)變頻驅(qū)動在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域不斷增長,,甚至還擴(kuò)展到民用產(chǎn)品和汽車領(lǐng)域。因此在過去幾年,,市場對變頻器的需求量和相應(yīng)的產(chǎn)量一直在持續(xù)增長。隨著產(chǎn)量的不斷擴(kuò)大和技術(shù)趨向成熟,,變頻器市場競爭也日益激烈,,對產(chǎn)品性價比的要求不斷提高。

  標(biāo)準(zhǔn)的三相交流驅(qū)動變頻器使用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)來實(shí)現(xiàn)主電路中的6個開關(guān),,現(xiàn)在除少量小功率,、低成本變頻器采用分立IGBT器件外,一般工業(yè)變頻器均采用模塊化IGBT(包括IPM),。模塊化概念為用戶提供了一個采用絕緣封裝且經(jīng)過檢驗(yàn)的功率開關(guān)組件,,從而減輕了設(shè)計(jì)工作量,改進(jìn)系統(tǒng)性能,,并提高了變頻器的功率等級,。

  但即便使用IGBT模塊,設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)依然存在,。由于IGBT模塊的惡劣工作條件(在高壓和高溫下對大電流進(jìn)行開關(guān)控制)和半導(dǎo)體器件固有弱點(diǎn),,設(shè)計(jì)工程師必須在確保IGBT模塊能夠安全工作的同時,發(fā)揮其最大性能以實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)計(jì),。

  本文將首先陳述變頻器設(shè)計(jì)工程師所面臨的主要挑戰(zhàn),,然后介紹來自英飛凌科技的創(chuàng)新IGBT芯片和封裝技術(shù)及支持工具,并簡要陳述這些解決方案的優(yōu)點(diǎn),。

  變頻器設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

  IGBT能夠安全運(yùn)行是應(yīng)用的首要要求,。安全運(yùn)行有兩個基本的條件,超越這兩個條件運(yùn)行可引起器件的永久性損壞,,這兩個條件分別是:

  1) Vce ≤ Vces,,其中Vce是集電極-發(fā)射極瞬態(tài)電壓,Vces是IGBT芯片的阻斷電壓(數(shù)據(jù)表上規(guī)定為600V/1200V/1700V/3.3kV/6.5kV)

  2) Tj ≤ Tvj,,op,,max,其中Tj是IGBT芯片的瞬時結(jié)溫,,Tvj,,op,max(數(shù)據(jù)表上規(guī)定為125℃或150℃)是進(jìn)行開關(guān)工作時所允許的最大結(jié)溫

  要在應(yīng)用中遵循這兩個條件,,必須先理解Vce和Tj是如何建立的,。

  首先,在變頻器電路結(jié)構(gòu)中,,IGBT半橋由直流側(cè)供電,,直流側(cè)電壓Vdc幾乎恒定。受電路的電磁場和材料的影響,系統(tǒng)中存在分布電感(見圖1),,當(dāng)IGBT以di/dt的速率將電流關(guān)斷時,,Vce等于Vdc和一個感應(yīng)電壓di/dt×Ls之和,即Vce = Vdc + di/dt×Ls,,其中Ls是直流側(cè)和相關(guān)半橋所形成的環(huán)路的分布電感,。Vdc已由應(yīng)用中的電源或電池電壓固定,因此必須限制di/dt和Ls來使Vce ≤ Vces,。

  需要注意的是:

  * di/dt是IGBT芯片的技術(shù)特性,,它代表IGBT的“軟化度”,受門極電阻Rg的影響,,但不完全受Rg控制,。

  * Ls可分成兩個部分,一部分處于相關(guān)半橋之外(Ls1),,另一部分處于半橋之內(nèi)(Ls2),。Ls1由半橋外部連接到直流側(cè)的布局結(jié)構(gòu)決定,而Ls2則由半橋內(nèi)的布局結(jié)構(gòu)決定,。

  

  因此,,設(shè)計(jì)工程師所面臨的挑戰(zhàn)之一是如何調(diào)節(jié)IGBT關(guān)斷時的di/dt,以及如何減小Ls,。使用合適的緩沖電路能平衡Ls1,,但對Ls2沒有影響。

  其次,,IGBT的Tj是由IGBT的功率損耗,、熱阻(結(jié)和環(huán)境之間)和環(huán)境溫度決定的,即Tj = P_loss×Rthja + Ta,。如果將Rthja分成Rthjc(結(jié)殼之間),、Rthch(管殼和散熱器之間)和Rthha(散熱器和環(huán)境之間)三部分,就可以用三個公式來表示Tj,,其中Tc是IGBT管殼的溫度,,Th是散熱器的溫度:

  * Tj = P_loss×Rthjc + Tc

  * Tc = P_loss×Rthch + Th

  * Th = P_loss×Rthha + Ta

  當(dāng)變頻器工作在正弦脈寬調(diào)制時,需用IGBT器件的熱阻抗(Zthjc)模型來描述其總體熱特性,。Tj是波動的,,其波動幅度隨變頻器輸出頻率而變化。

  但在實(shí)際應(yīng)用中Tj很難測量,。為滿足Tj ≤ Tvj,,op,max同時最大限度發(fā)揮IGBT的能力,,需要準(zhǔn)確估算Tj,,要估算Tj則首先須知道IGBT的功率損耗,。IGBT的功率損耗由IGBT芯片工藝、工作條件(即Vdc,、輸出電流,、開關(guān)頻率、調(diào)制深度和負(fù)載功率因數(shù))和門極電壓,、Rg等門極驅(qū)動條件決定,,所以在正弦脈寬調(diào)制情況下IGBT功率損耗的計(jì)算十分復(fù)雜。

  因此,,設(shè)計(jì)工程師面對的又一挑戰(zhàn)是如何在考慮到各種相關(guān)條件情況下計(jì)算IGBT的功率損耗,并使用Zthjc模型來估算Tj的瞬時值,。

  第三,,對于像電動汽車(小汽車、公交車)這樣的應(yīng)用,,變頻器的可靠性是一個需要專門考慮的問題,,而這基本上是所用IGBT模塊可靠性的問題。為高可靠性而設(shè)計(jì)的IGBT模塊采用了特殊材料工藝,,所以其成本要比標(biāo)準(zhǔn)可靠性的模塊高,。因此設(shè)計(jì)工程師在這一領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)是如何將成本保持在可接受的程度,同時滿足應(yīng)用對可靠性的要求,。

  第四,,在中國的一個特殊情況是,日趨激烈的變頻器市場競爭使變頻器產(chǎn)品的上市時間比過去任何一個時候都更加關(guān)鍵,,這最終導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)時間非常緊迫,。而同時由于經(jīng)濟(jì)上的原因,許多國內(nèi)的變頻器制造廠商對于研發(fā)的投入又十分有限,。因此對于中國的設(shè)計(jì)工程師來說,,如何使用有限的研發(fā)資源在短時間內(nèi)完成變頻器設(shè)計(jì),是他們所面臨的一個特殊的挑戰(zhàn),。

  多種解決方案幫助完成設(shè)計(jì)

  針對變頻器設(shè)計(jì)工程師所面臨的設(shè)計(jì)難題,,英飛凌科技提供了下列解決方案來支持應(yīng)用設(shè)計(jì):

  1.創(chuàng)新的IGBT芯片工藝

  繼第3代溝槽場終止型IGBT(IGBT3:E3、T3)之后,,英飛凌現(xiàn)在又推出了三種版本的第4代1200V IGBT(IGBT4),,包括

  * 高功率版本(HiPo):具有更好的軟化度(關(guān)斷時更低的di/dt)和比E3更低的Vcesat

  * 中等功率版本(MePo):軟化度和E3相同,但速度更快(更低的Eoff)

  * 低功率版本(LoPo):速度比T3快,,軟化度也比T3好

  另外,,IGBT4在關(guān)斷時的di/dt可完全受Rg控制,這是它的另一個優(yōu)點(diǎn),?;谲浕鹊奶岣?,IGBT4從下面幾個角度降低了變頻器尤其是大功率變頻器的設(shè)計(jì)難度:

  * 允許更高的直流側(cè)電壓(從而能更好地利用IGBT的阻斷能力)

  * 簡化了緩沖電路(從而降低了系統(tǒng)成本)

  * 在相同的直流側(cè)電壓和安全容限下,可用較低的Rg值來達(dá)到較快的開關(guān)速度(從而使開關(guān)損耗保持不變)

  2.創(chuàng)新的封裝技術(shù)

  我們很快還將會推出一種被稱為PrimePACK的全新模塊封裝(見圖2),。

  

  PrimePACK采用半橋電路結(jié)構(gòu),,提供兩種封裝尺寸(PrimePACK2和PrimePACK3),分別對應(yīng)于400A-900A和1400A兩種電流規(guī)格,,有1200V和1700V兩個系列,。作為一種全新的面向中、高功率應(yīng)用的IGBT模塊系列,,PrimePACK的主要特點(diǎn)是減小了封裝電感,。基于改進(jìn)的功率端子布局和內(nèi)部結(jié)構(gòu),,PrimePACK與現(xiàn)有的IHM 130×140封裝相比其封裝電感減小了60%,,顯著降低了減小環(huán)路分布電感(Ls)的設(shè)計(jì)難度。

  改進(jìn)的封裝設(shè)計(jì)還為PrimePACK帶來了另外兩方面的優(yōu)點(diǎn):

  1) 通過改進(jìn)芯片的布局和基板設(shè)計(jì)減小了熱阻,。與IHM 130×140封裝相比,,PrimePACK在安裝面積減小14%的情況下將熱阻減小了30%

  2) 通過改進(jìn)焊線工藝,使Tvj,,op,,max可定義在150℃,這比大多數(shù)現(xiàn)有封裝的指標(biāo)高出25℃

  封裝技術(shù)的創(chuàng)新不僅提高了IGBT模塊的散熱能力,,還提高了其在功率循環(huán)(PC)和熱循環(huán)(TC)能力方面的可靠性,。隨著焊線工藝的改進(jìn),具有150℃ Tvj,,op,,max的IGBT模塊能夠在相同Tj下提供更高的PC能力,或在更高的Tj下保持相同的PC能力,。此外,,借助陶瓷襯底和基板材料的創(chuàng)新,IGBT模塊的TC能力也得到提高,,同時將成本控制在可接受水平以內(nèi),。所有這些都有助于解決電動汽車應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)工程師所面臨的難題,即如何選擇標(biāo)準(zhǔn)成本的IGBT模塊來達(dá)到所需的可靠性,。

  3.用于器件選型的計(jì)算程序

  英飛凌科技提供了一個名為IPOSIM的基于Excel的計(jì)算程序,。IPOSIM利用數(shù)據(jù)表,按用戶設(shè)置的工作條件,、Zthjc模型和正弦脈寬調(diào)制工作原理計(jì)算IGBT和續(xù)流二極管的功率損耗和溫度,。根據(jù)用戶設(shè)定的Tj上限及對每個IGBT模塊所規(guī)定的RBSOA限制,IPOSIM可以列出給定工作條件下滿足上述限制的IGBT模塊清單,。IPOSIM還能計(jì)算被選中的模塊在不同工作條件下所能提供的最大輸出電流,,并幫助用戶確定所需的散熱器熱阻規(guī)格和所允許的最大環(huán)境溫度,。此外,該程序還以圖表的形式給出計(jì)算結(jié)果,,便于用戶進(jìn)行分析,,它甚至能對一組連續(xù)變化的工作點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。高級用戶能利用IPOSIM的數(shù)據(jù)庫在IPOSIM中創(chuàng)建新的型號,,或在實(shí)際條件與數(shù)據(jù)表測試條件不同時按實(shí)際條件進(jìn)行計(jì)算,。最新版本的IPOSIM還提供了一項(xiàng)新的功能,使用戶能夠?qū)λ膫€不同類型的IGBT模塊就電流輸出能力隨開關(guān)頻率變化的關(guān)系進(jìn)行比較,。

  IPOSIM將設(shè)計(jì)工程師從繁重的計(jì)算工作中解放出來,,并幫助他們合理地選擇IGBT模塊類型。雖然它只是一個理論計(jì)算程序,,但可以給設(shè)計(jì)優(yōu)化和定量分析帶來極大的方便,。該程序可從英飛凌網(wǎng)站免費(fèi)下載。

  

  4.評估板

  評估板是模塊制造商針對待評估IGBT模塊設(shè)計(jì)并經(jīng)過測試的應(yīng)用電路,,具有門極驅(qū)動和IGBT保護(hù)等功能,。提供評估板主要出于兩個目的:

  1) 促進(jìn)和加速用戶對IGBT模塊的測試過程

  2) 提供模塊外圍電路參考設(shè)計(jì)

  除了評估板,,我們還向用戶提供全套的設(shè)計(jì)文檔,,以便在變頻器設(shè)計(jì)工程師面對緊迫的開發(fā)時間和有限研發(fā)資源時使他們能夠有一套行之有效的解決方案。

  結(jié)論

  針對如何處理di/dt,、寄生電感,、損耗及溫度計(jì)算、可靠性要求,、緊迫的開發(fā)時間和可用資源等一系列設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),,我們提供了多種解決方案,其中包括在器件層面采用創(chuàng)新的IGBT模塊技術(shù),、在軟件層面提供多功能計(jì)算程序及在系統(tǒng)層面提供評估板,。

本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點(diǎn),。轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片,、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有,。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者。如涉及作品內(nèi)容,、版權(quán)和其它問題,,請及時通過電子郵件或電話通知我們,以便迅速采取適當(dāng)措施,,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失,。聯(lián)系電話:010-82306118,;郵箱:[email protected]