第四代IGBT和第七代IGBT的性能對(duì)比

摘 要

變頻器在設(shè)計(jì)上不斷的推陳出新，為了提高功率密度并降低成本，工程師更是絞盡腦汁。IGBT（絕緣柵型雙極性晶體管）在變頻器里屬于關(guān)鍵器件，其選型和損耗直接關(guān)系散熱器的大小，也直接影響著系統(tǒng)的性能、成本和尺寸。

本文從變頻器的應(yīng)用特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合第七代IGBT的低飽和壓降和最大運(yùn)行結(jié)溫等特點(diǎn)，介紹了第七代IGBT如何助力變頻器應(yīng)用。

本文通過(guò)分析變頻器的損耗組成，并通過(guò)熱仿真對(duì)比第四代IGBT和第七代IGBT的性能，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證結(jié)論。相同工況下IGBT7損耗和結(jié)溫明顯低于IGBT4，這樣可以減小變頻器的體積或是保持相同體積下增大輸出電流，實(shí)現(xiàn)功率跳檔，從而提高產(chǎn)品的功率密度。

01

引言

電機(jī)在家電、傳動(dòng)、交通運(yùn)輸、新能源和工業(yè)機(jī)器人等行業(yè)有著非常廣泛的應(yīng)用。電機(jī)驅(qū)動(dòng)著我們?nèi)粘５墓ぷ骱蛫蕵?lè)。低壓變頻器作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要產(chǎn)品，因調(diào)速范圍廣、操作簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能、軟起、提效等功能，應(yīng)用非常廣泛，如電梯、風(fēng)機(jī)、水泵、紡織、冶金等行業(yè)。

2021年是“十四五”規(guī)劃開局之年，中國(guó)敲定了碳中和的路線圖，力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到二氧化碳排放峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。目前中國(guó)制造業(yè)正在開展新一輪轉(zhuǎn)型升級(jí)，這對(duì)工業(yè)設(shè)備的性能提出了更高的要求，節(jié)能、綠色驅(qū)動(dòng)的方式將成為主流，這又將推動(dòng)變頻器市場(chǎng)的增長(zhǎng)，尤其是新一代更高功率密度的產(chǎn)品。

低壓通用變頻器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，針對(duì)目前的市場(chǎng)需求，主要廠商加大研發(fā)投入降低產(chǎn)品成本、提升產(chǎn)品性能。而變頻器電路拓?fù)渲饕捎媒?直-交變頻，電路拓?fù)涔潭?，且發(fā)展相對(duì)緩慢。變頻器產(chǎn)品的發(fā)展特點(diǎn)在硬件上就集中體現(xiàn)為減小尺寸、提高功率密度從而降低成本。

從硬件角度講，

低壓通用變頻器的特點(diǎn)主要有：

交-直-交：不控制整流+制動(dòng)單元+三相逆變；

低開關(guān)頻率：額定4KHz~6kHz，如提高開關(guān)頻率會(huì)降額；

短時(shí)過(guò)載需求：150%過(guò)載/1分鐘；

針對(duì)通用變頻器的這些應(yīng)用特點(diǎn)，英飛凌公司推出了第七代IGBT模塊。那么第七代IGBT模塊對(duì)比目前市場(chǎng)主要使用的第四代的IGBT模塊在變頻器應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在哪里呢？是如何做到提高功率密度的？本文將通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)來(lái)探究。

02

IGBT7芯片技術(shù)

目前IGBT芯片技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第七代的水平，以英飛凌的IGBT的芯片技術(shù)為例，從最開始的PT技術(shù)，到NPT平面柵，再到溝槽柵，現(xiàn)在到了第七代，也就是微溝槽柵（簡(jiǎn)稱MPT，下同）技術(shù)。IGBT7采用了基于MPT的IGBT結(jié)構(gòu)。在n-襯底的底部，通過(guò)p+摻雜實(shí)現(xiàn)了集電極區(qū)。在n-襯底和和p+之間，通過(guò)n+摻雜實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)截止（FS）結(jié)構(gòu)。它可以使電場(chǎng)急劇下降，同時(shí)會(huì)影響器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。

與IGBT4相區(qū)別的是，IGBT7里的溝槽除了包含常見的有緣柵極，還有發(fā)射極溝槽和偽柵極，后兩種溝槽是無(wú)效溝槽。這三種溝槽單元類型能夠精細(xì)化定制IGBT。通過(guò)增加有源柵極密度，能夠增加單位芯片面積上的導(dǎo)電溝道。一方面，由于器件輸出特性曲線更陡，可降低靜態(tài)損耗。當(dāng)然，帶來(lái)的影響還有柵極-發(fā)射極電容（CGE）增加，代表著其開關(guān)參數(shù)也發(fā)生了變化。

圖1.英飛凌芯片技術(shù)

到具體應(yīng)用層面，IGBT7的優(yōu)勢(shì)總結(jié)為：

更低的導(dǎo)通飽和壓降Vcesat；

最高短時(shí)工作結(jié)溫可以到175℃；

針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)類應(yīng)用的dv/dt特性優(yōu)化；

03

IGBT7技術(shù)應(yīng)用在變頻器

IGBT7設(shè)計(jì)的初衷是針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用。通過(guò)減少功率器件的總損耗和提高過(guò)載條件下的最高結(jié)溫到175℃來(lái)提高功率密度、減少系統(tǒng)尺寸最終達(dá)到降低系統(tǒng)成本的目的。為什么IGBT7適合變頻器應(yīng)用呢？

1

變頻器應(yīng)用中，一般情況下，額定開關(guān)頻率范圍4KHz~6KHz。在此工況下，總損耗中導(dǎo)通損耗占比最大。IGBT7通過(guò)降低Vcesat來(lái)減少導(dǎo)通損耗。從而達(dá)到降低總損耗的目的；

2

IGBT7支持最高175℃的運(yùn)行結(jié)溫，有效滿足變頻器過(guò)載的需求；

3

IGBT7 PIM模塊集成有整流橋、制動(dòng)單元和逆變橋，為變頻器量身定做。

接下來(lái)，結(jié)合5.5KW變頻器，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證IGBT7在變頻器應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

首先我們可以通過(guò)仿真來(lái)評(píng)估IGBT7在變頻器應(yīng)用中的結(jié)溫和損耗分布。PLECS涉及到電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的電氣回路，磁性元件，散熱回路和機(jī)械以及其控制部分可以提供快速的仿真。本文使用Icepak和PLECS混合熱仿真實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算損耗和結(jié)溫。

圖2.仿真和實(shí)驗(yàn)流程圖

3.1

建立PLECS器件模型

（1）雙脈沖測(cè)試

雖然器件規(guī)格書上會(huì)有開關(guān)損耗的數(shù)據(jù)，但是母線電壓、結(jié)溫、主功率回路的雜散電感、門極回路的寄生電感和寄生電阻都會(huì)對(duì)開關(guān)損耗產(chǎn)生影響［4］。通過(guò)雙脈沖測(cè)試可以得到IGBT7的開關(guān)損耗和二極管的反向恢復(fù)損耗。當(dāng)然還可以得到各電壓電流尖峰值，斜率變化值在內(nèi)的動(dòng)態(tài)參數(shù)。本次實(shí)驗(yàn)直接在整機(jī)的主功率電路板上做雙脈沖測(cè)試，這樣測(cè)得的數(shù)據(jù)更加符合實(shí)際。

本次測(cè)試選取了室溫、35℃、75℃和125℃這四種不同的溫度，得到IGBT7的關(guān)斷損耗和開通損耗。因第七代IGBT使用了MPT技術(shù)，在維持較低dv/dt的情況下，驅(qū)動(dòng)電阻可以選的更?。?］，所以本次雙脈沖測(cè)試驅(qū)動(dòng)電阻（Rg）選取10歐姆和15歐姆，如圖3和圖4所示。

圖3.Rg=15Ω時(shí)IGBT7關(guān)斷損耗實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖4.Rg=15Ω時(shí)IGBT7開通損耗實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

（2）創(chuàng)建器件模型

基于規(guī)格書的數(shù)據(jù)，將Vcesat與Ic（集電極電流）的輸出特性曲線導(dǎo)入到PLECS器件模型里，再加上之前得到的開關(guān)損耗，就可以得到IGBT和反并聯(lián)二極管的損耗模型。最后輸入四階的瞬態(tài)熱阻，就可以得到IGBT7的PLECS熱模型了，如圖5所示。

圖5.IGBT7器件模型

3.2

3D和PLECS聯(lián)合熱仿真結(jié)果

采用3D和PLECS聯(lián)合熱仿真的目的是提高仿真結(jié)果的精度。IGBT和二極管芯片產(chǎn)生的絕大部分的熱量通過(guò)圖6中縱向的熱阻傳遞到環(huán)境中；只有極少部分的熱量橫向傳遞，在本文中可以忽略不計(jì)。從熱等效網(wǎng)絡(luò)可見，Rth，c-h（散熱器熱阻，下同）的精度直接影響到IGBT芯片結(jié)溫的估算。PLECS的優(yōu)勢(shì)是可以通過(guò)仿真得到損耗和芯片結(jié)溫，而3D熱仿真的優(yōu)勢(shì)是可以得到散熱器熱阻值。采用3D和PLECS聯(lián)合熱仿真的目的是提高仿真結(jié)果的精度。

圖6.IGBT熱等效網(wǎng)絡(luò)

基于第七代IGBT FP25R12W2T7，使用PLECS仿真計(jì)算出損耗后，導(dǎo)入到3D熱仿真可以得到散熱器的熱阻，再將散熱器熱阻導(dǎo)入到PLECS迭代后重新仿真，可以得到IGBT和二極管的晶圓的結(jié)溫，具體結(jié)果請(qǐng)參見表1。表1和表2中“仿真模式”一列中的熱阻指的是散熱器熱阻Rth，c-h。

仿真條件如下：

母線電壓Vdc=540V；

調(diào)制比為1；

輸出頻率為50Hz；

散熱器的時(shí)間常數(shù)為67s；

輸出功率因數(shù)為0.85；

表1.IGBT7熱仿真結(jié)果