以創(chuàng)新的IGBT技術、合理的器件選型和有效的系統(tǒng)手段優(yōu)化變頻器設計

全球?qū)τ诠?jié)能和綠色能源的需求使得馬達變頻驅(qū)動在工業(yè)應用領域不斷增長，甚至還擴展到民用產(chǎn)品和汽車領域。因此在過去幾年，市場對變頻器的需求量和相應的產(chǎn)量一直在持續(xù)增長。隨著產(chǎn)量的不斷擴大和技術趨向成熟，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。

標準的三相交流驅(qū)動變頻器使用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)來實現(xiàn)主電路中的6個開關，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)過檢驗的功率開關組件，從而減輕了設計工作量，改進系統(tǒng)性能，并提高了變頻器的功率等級。

但即便使用IGBT模塊，設計上的挑戰(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行開關控制)和半導體器件固有弱點，設計工程師必須在確保IGBT模塊能夠安全工作的同時，發(fā)揮其最大性能以實現(xiàn)低成本設計。

本文將首先陳述變頻器設計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芯片和封裝技術及支持工具，并簡要陳述這些解決方案的優(yōu)點。

變頻器設計面臨的挑戰(zhàn)

IGBT能夠安全運行是應用的首要要求。安全運行有兩個基本的條件，超越這兩個條件運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℃)是進行開關工作時所允許的最大結(jié)溫

要在應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IGBT以di/dt的速率將電流關斷時，Vce等于Vdc和一個感應電壓di/dt×Ls之和，即Vce = Vdc + di/dt×Ls，其中Ls是直流側(cè)和相關半橋所形成的環(huán)路的分布電感。Vdc已由應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)構決定，而Ls2則由半橋內(nèi)的布局結(jié)構決定。

因此，設計工程師所面臨的挑戰(zhàn)之一是如何調(diào)節(jié)IGBT關斷時的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。

但在實際應用中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、開關頻率、調(diào)制深度和負載功率因數(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功率損耗的計算十分復雜。

因此，設計工程師面對的又一挑戰(zhàn)是如何在考慮到各種相關條件情況下計算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。為高可靠性而設計的IGBT模塊采用了特殊材料工藝，所以其成本要比標準可靠性的模塊高。因此設計工程師在這一領域所面臨的挑戰(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鍵，這最終導致產(chǎn)品開發(fā)時間非常緊迫。而同時由于經(jīng)濟上的原因，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。因此對于中國的設計工程師來說，如何使用有限的研發(fā)資源在短時間內(nèi)完成變頻器設計，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計

針對變頻器設計工程師所面臨的設計難題，英飛凌科技提供了下列解決方案來支持應用設計：

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在關斷時的di/dt可完全受Rg控制，這是它的另一個優(yōu)點?；谲浕鹊奶岣撸琁GBT4從下面幾個角度降低了變頻器尤其是大功率變頻器的設計難度：

* 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值來達到較快的開關速度(從而使開關損耗保持不變)

2.創(chuàng)新的封裝技術

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，提供兩種封裝尺寸(PrimePACK2和PrimePACK3)，分別對應于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、高功率應用的IGBT模塊系列，PrimePACK的主要特點是減小了封裝電感?；诟倪M的功率端子布局和內(nèi)部結(jié)構，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)的設計難度。

改進的封裝設計還為PrimePACK帶來了另外兩方面的優(yōu)點：

1) 通過改進芯片的布局和基板設計減小了熱阻。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)有封裝的指標高出25℃

封裝技術的創(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，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用領域設計工程師所面臨的難題，即如何選擇標準成本的IGBT模塊來達到所需的可靠性。

3.用于器件選型的計算程序

英飛凌科技提供了一個名為IPOSIM的基于Excel的計算程序。IPOSIM利用數(shù)據(jù)表，按用戶設置的工作條件、Zthjc模型和正弦脈寬調(diào)制工作原理計算IGBT和續(xù)流二極管的功率損耗和溫度。根據(jù)用戶設定的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算結(jié)果，便于用戶進行分析，它甚至能對一組連續(xù)變化的工作點進行計算。高級用戶能利用IPOSIM的數(shù)據(jù)庫在IPOSIM中創(chuàng)建新的型號，或在實際條件與數(shù)據(jù)表測試條件不同時按實際條件進行計算。最新版本的IPOSIM還提供了一項新的功能，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頻率變化的關系進行比較。

IPOSIM將設計工程師從繁重的計算工作中解放出來，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算程序，但可以給設計優(yōu)化和定量分析帶來極大的方便。該程序可從英飛凌網(wǎng)站免費下載。

4.評估板

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

1) 促進和加速用戶對IGBT模塊的測試過程

2) 提供模塊外圍電路參考設計

除了評估板，我們還向用戶提供全套的設計文檔，以便在變頻器設計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、損耗及溫度計算、可靠性要求、緊迫的開發(fā)時間和可用資源等一系列設計挑戰(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、在軟件層面提供多功能計算程序及在系統(tǒng)層面提供評估板。

作者：梁知宏

主任工程師

英飛凌科技(中國)有限公司