普控科技11kW超高功率密度變頻器產(chǎn)品定義、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

本文出自變頻器企業(yè)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，全面介紹了滿(mǎn)足IEC61800-9變頻產(chǎn)品國(guó)際新能效標(biāo)準(zhǔn)的11kW重載型變頻器產(chǎn)品定義、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，包括新一代IGBT7 - FP50R12W2T7_B11的選型、整機(jī)效率、溫升、dv/dt、EMC等。

隨著我國(guó)穩(wěn)步推進(jìn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，持續(xù)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，在“雙碳”目標(biāo)（碳達(dá)峰與碳中和）指引下，變頻器（Variable Frequency Drive,VFD）和電機(jī)組成的傳動(dòng)系統(tǒng)（Power Drive System，PDS）的能效指標(biāo)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(jì)，可以為行業(yè)應(yīng)用帶來(lái)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(guó)際新能效標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)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(mǎn)載效率可達(dá)98.1%，可適配IE3/4及以上高能效三相異步電動(dòng)機(jī)電機(jī)及高速同步電機(jī)，支持多種總線通訊，具備Wi-Fi IoT云連接能力等特點(diǎn)。同時(shí)，本設(shè)計(jì)內(nèi)置EMC濾波器，可滿(mǎn)足IEC61800-3 C3類(lèi)要求。特別適合高效率、高性能風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)、壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用場(chǎng)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(jì)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(yuǎn)領(lǐng)先于市場(chǎng)上同類(lèi)產(chǎn)品，見(jiàn)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(guò)載）

效率Efficiency>98%

本設(shè)計(jì)11kW與市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)變頻變壓的核心元件，本設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)元胞結(jié)構(gòu)和間距的精心設(shè)計(jì)，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(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)定義的芯片在具體在變頻器設(shè)計(jì)中，優(yōu)勢(shì)明顯：

1.

封裝降級(jí)

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(zhǎng)107.5mm*寬45mm

FP50R12W2T7_B11

長(zhǎng)56.7mm*寬48mm

2.

與實(shí)際應(yīng)用更匹配的結(jié)溫特性

由于變頻器是實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合通常存在短時(shí)過(guò)載的工況，短時(shí)過(guò)載時(shí)，會(huì)造成IGBT實(shí)際結(jié)溫進(jìn)一步升高（如藍(lán)色曲線的突起部分），與傳統(tǒng)IGBT4相比，IGBT7將過(guò)載下的最大結(jié)溫提高到175℃，過(guò)載和不過(guò)載結(jié)溫設(shè)計(jì)限制分開(kāi)考慮，模塊能力的使用更充分。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證

1.

dv/dt

IGBT開(kāi)通電阻Ron阻值選擇為11.2ohm，測(cè)得dv/dt=4.57kV/us，符合電機(jī)絕緣要求。

2.

硬件過(guò)流保護(hù)

硬件過(guò)流點(diǎn)為64A，保護(hù)動(dòng)作延遲時(shí)間6us<8us，滿(mǎn)足IGBT7短路時(shí)間要求。

3.

EMC測(cè)試

該變頻器甚至可滿(mǎn)足C2-5m的EMC要求。

i.傳導(dǎo)極限值和測(cè)試

ii.輻射極限值和測(cè)試

4.

效率

在永磁同步機(jī)負(fù)載條件下，輸出19.5A，輸出功率11.3kW時(shí)，整機(jī)效率可達(dá)98.1%。

5.

溫升

該變頻器在如上工況穩(wěn)定運(yùn)行1小時(shí)，測(cè)得IGBT模塊的溫升數(shù)據(jù)如下：

計(jì)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(jì)裕量充足。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.

散熱設(shè)計(jì)

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(jì)的一大難點(diǎn)，對(duì)比多種布局方案，下圖的布局方案系統(tǒng)的風(fēng)阻小，流過(guò)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(kāi)，且有一定風(fēng)量流過(guò)母線電容表面，降低母線電容周?chē)沫h(huán)境溫度，提高了電容壽命。

2.

IGBT驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

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

結(jié)論

英飛凌的新一代IGBT7模塊配合5.5A驅(qū)動(dòng)能力的EiceDRIVER驅(qū)動(dòng)器，可以把變頻器的功率密度大幅提高，從而提高整機(jī)性能，降低系統(tǒng)成本和整個(gè)產(chǎn)品壽命周期和擁有成本，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。