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(dòng)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域不斷增長(zhǎng)，甚至還擴(kuò)展到民用產(chǎn)品和汽車(chē)領(lǐng)域。因此在過(guò)去幾年，市場(chǎng)對(duì)變頻器的需求量和相應(yīng)的產(chǎn)量一直在持續(xù)增長(zhǎng)。隨著產(chǎn)量的不斷擴(kuò)大和技術(shù)趨向成熟，變頻器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也日益激烈，對(duì)產(chǎn)品性?xún)r(jià)比的要求不斷提高。

標(biāo)準(zhǔn)的三相交流驅(qū)動(dòng)變頻器使用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)來(lái)實(shí)現(xiàn)主電路中的6個(gè)開(kāi)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(gè)采用絕緣封裝且經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的功率開(kāi)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(jí)。

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(duì)大電流進(jìn)行開(kāi)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(shí)，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(lái)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(jiǎn)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(gè)基本的條件，超越這兩個(gè)條件運(yùn)行可引起器件的永久性損壞，這兩個(gè)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(shí)結(jié)溫，Tvj,op,max(數(shù)據(jù)表上規(guī)定為125℃或150℃)是進(jìn)行開(kāi)關(guān)工作時(shí)所允許的最大結(jié)溫

要在應(yīng)用中遵循這兩個(gè)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(chǎng)和材料的影響，系統(tǒng)中存在分布電感(見(jiàn)圖1)，當(dāng)IGBT以di/dt的速率將電流關(guān)斷時(shí)，Vce等于Vdc和一個(gè)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(lái)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(mén)極電阻Rg的影響，但不完全受Rg控制。

* Ls可分成兩個(gè)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(shí)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(duì)Ls2沒(méi)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(gè)公式來(lái)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(shí)，需用IGBT器件的熱阻抗(Zthjc)模型來(lái)描述其總體熱特性。Tj是波動(dòng)的，其波動(dòng)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(cè)量。為滿足Tj ≤ Tvj,op,max同時(shí)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(kāi)關(guān)頻率、調(diào)制深度和負(fù)載功率因數(shù))和門(mén)極電壓、Rg等門(mén)極驅(qū)動(dòng)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(duì)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(lái)估算Tj的瞬時(shí)值。

第三，對(duì)于像電動(dòng)汽車(chē)(小汽車(chē)、公交車(chē))這樣的應(yīng)用，變頻器的可靠性是一個(gè)需要專(zhuān)門(mén)考慮的問(wèn)題，而這基本上是所用IGBT模塊可靠性的問(wèn)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(shí)滿足應(yīng)用對(duì)可靠性的要求。

第四，在中國(guó)的一個(gè)特殊情況是，日趨激烈的變頻器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)使變頻器產(chǎn)品的上市時(shí)間比過(guò)去任何一個(gè)時(shí)候都更加關(guān)鍵，這最終導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間非常緊迫。而同時(shí)由于經(jīng)濟(jì)上的原因，許多國(guó)內(nèi)的變頻器制造廠商對(duì)于研發(fā)的投入又十分有限。因此對(duì)于中國(guó)的設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，如何使用有限的研發(fā)資源在短時(shí)間內(nèi)完成變頻器設(shè)計(jì)，是他們所面臨的一個(gè)特殊的挑戰(zhàn)。

多種解決方案幫助完成設(shè)計(jì)

針對(duì)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(lái)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(chǎng)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(shí)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(shí)的di/dt可完全受Rg控制，這是它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)?；谲浕鹊奶岣撸琁GBT4從下面幾個(gè)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(jiǎn)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(lái)達(dá)到較快的開(kāi)關(guān)速度(從而使開(kāi)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(huì)推出一種被稱(chēng)為PrimePACK的全新模塊封裝(見(jiàn)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(duì)應(yīng)于400A-900A和1400A兩種電流規(guī)格，有1200V和1700V兩個(gè)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(lái)了另外兩方面的優(yōu)點(diǎn)：

1) 通過(guò)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(guò)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(shí)將成本控制在可接受水平以?xún)?nèi)。所有這些都有助于解決電動(dòng)汽車(chē)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(lái)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(gè)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(duì)每個(gè)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(duì)一組連續(xù)變化的工作點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。高級(jí)用戶能利用IPOSIM的數(shù)據(jù)庫(kù)在IPOSIM中創(chuàng)建新的型號(hào)，或在實(shí)際條件與數(shù)據(jù)表測(cè)試條件不同時(shí)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€(gè)不同類(lèi)型的IGBT模塊就電流輸出能力隨開(kāi)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(lái)，并幫助他們合理地選擇IGBT模塊類(lèi)型。雖然它只是一個(gè)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(lái)極大的方便。該程序可從英飛凌網(wǎng)站免費(fèi)下載。

4.評(píng)估板

評(píng)估板是模塊制造商針對(duì)待評(píng)估IGBT模塊設(shè)計(jì)并經(jīng)過(guò)測(cè)試的應(yīng)用電路，具有門(mén)極驅(qū)動(dòng)和IGBT保護(hù)等功能。提供評(píng)估板主要出于兩個(gè)目的：

1) 促進(jìn)和加速用戶對(duì)IGBT模塊的測(cè)試過(guò)程

2) 提供模塊外圍電路參考設(shè)計(jì)

除了評(píng)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(duì)緊迫的開(kāi)發(fā)時(shí)間和有限研發(fā)資源時(shí)使他們能夠有一套行之有效的解決方案。

結(jié)論

針對(duì)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(kāi)發(fā)時(shí)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(píng)估板。

作者：梁知宏

主任工程師

英飛凌科技(中國(guó))有限公司