摘 要

變頻器在設計上不斷的推陳出新，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）在變頻器里屬于關鍵器件，其選型和損耗直接關系散熱器的大小，也直接影響著系統的性能、成本和尺寸。

本文從變頻器的應用特點出發，結合第七代IGBT的低飽和壓降和最大運行結溫等特點，介紹了第七代IGBT如何助力變頻器應用。

本文通過分析變頻器的損耗組成，并通過熱仿真對比第四代IGBT和第七代IGBT的性能，最后通過實驗來驗證結論。相同工況下IGBT7損耗和結溫明顯低于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，實現功率跳檔，從而提高產品的功率密度。

01

引言

電機在家電、傳動、交通運輸、新能源和工業機器人等行業有著非常廣泛的應用。電機驅動著我們日常的工作和娛樂。低壓變頻器作為驅動電機的主要產品，因調速范圍廣、操作簡單，能夠實現節能、軟起、提效等功能，應用非常廣泛，如電梯、風機、水泵、紡織、冶金等行業。

2021年是“十四五”規劃開局之年，中國敲定了碳中和的路線圖，力爭在2030年前達到二氧化碳排放峰值，2060年前實現碳中和。目前中國制造業正在開展新一輪轉型升級，這對工業設備的性能提出了更高的要求，節能、綠色驅動的方式將成為主流，這又將推動變頻器市場的增長，尤其是新一代更高功率密度的產品。

低壓通用變頻器市場競爭非常激烈，針對目前的市場需求，主要廠商加大研發投入降低產品成本、提升產品性能。而變頻器電路拓撲主要采用交-直-交變頻，電路拓撲固定，且發展相對緩慢。變頻器產品的發展特點在硬件上就集中體現為減小尺寸、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主要有：

交-直-交：不控制整流+制動單元+三相逆變；

低開關頻率：額定4KHz~6kHz，如提高開關頻率會降額；

短時過載需求：150%過載/1分鐘；

針對通用變頻器的這些應用特點，英飛凌公司推出了第七代IGBT模塊。那么第七代IGBT模塊對比目前市場主要使用的第四代的IGBT模塊在變頻器應用中的優勢體現在哪里呢？是如何做到提高功率密度的？本文將通過仿真和實驗來探究。

02

IGBT7芯片技術

目前IGBT芯片技術已經發展到第七代的水平，以英飛凌的IGBT的芯片技術為例，從最開始的PT技術，到NPT平面柵，再到溝槽柵，現在到了第七代，也就是微溝槽柵（簡稱MPT，下同）技術。IGBT7采用了基于MPT的IGBT結構。在n-襯底的底部，通過p+摻雜實現了集電極區。在n-襯底和和p+之間，通過n+摻雜實現了場截止（FS）結構。它可以使電場急劇下降，同時會影響器件的靜態和動態特性。

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

圖1.英飛凌芯片技術

到具體應用層面，IGBT7的優勢總結為：

更低的導通飽和壓降Vcesat；

最高短時工作結溫可以到175℃；

針對電機驅動類應用的dv/dt特性優化；

03

IGBT7技術應用在變頻器

IGBT7設計的初衷是針對電機驅動的應用。通過減少功率器件的總損耗和提高過載條件下的最高結溫到175℃來提高功率密度、減少系統尺寸最終達到降低系統成本的目的。為什么IGBT7適合變頻器應用呢？

1

變頻器應用中，一般情況下，額定開關頻率范圍4KHz~6KHz。在此工況下，總損耗中導通損耗占比最大。IGBT7通過降低Vcesat來減少導通損耗。從而達到降低總損耗的目的；

2

IGBT7支持最高175℃的運行結溫，有效滿足變頻器過載的需求；

3

IGBT7 PIM模塊集成有整流橋、制動單元和逆變橋，為變頻器量身定做。

接下來，結合5.5KW變頻器，通過仿真和實驗來驗證IGBT7在變頻器應用中的優勢。

首先我們可以通過仿真來評估IGBT7在變頻器應用中的結溫和損耗分布。PLECS涉及到電能轉換系統的電氣回路，磁性元件，散熱回路和機械以及其控制部分可以提供快速的仿真。本文使用Icepak和PLECS混合熱仿真實驗，并計算損耗和結溫。

圖2.仿真和實驗流程圖

3.1

建立PLECS器件模型

（1）雙脈沖測試

雖然器件規格書上會有開關損耗的數據，但是母線電壓、結溫、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對開關損耗產生影響［4］。通過雙脈沖測試可以得到IGBT7的開關損耗和二極管的反向恢復損耗。當然還可以得到各電壓電流尖峰值，斜率變化值在內的動態參數。本次實驗直接在整機的主功率電路板上做雙脈沖測試，這樣測得的數據更加符合實際。

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

圖3.Rg=15Ω時IGBT7關斷損耗實測數據

圖4.Rg=15Ω時IGBT7開通損耗實測數據

（2）創建器件模型

基于規格書的數據，將Vcesat與Ic（集電極電流）的輸出特性曲線導入到PLECS器件模型里，再加上之前得到的開關損耗，就可以得到IGBT和反并聯二極管的損耗模型。最后輸入四階的瞬態熱阻，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聯合熱仿真結果

采用3D和PLECS聯合熱仿真的目的是提高仿真結果的精度。IGBT和二極管芯片產生的絕大部分的熱量通過圖6中縱向的熱阻傳遞到環境中；只有極少部分的熱量橫向傳遞，在本文中可以忽略不計。從熱等效網絡可見，Rth，c-h（散熱器熱阻，下同）的精度直接影響到IGBT芯片結溫的估算。PLECS的優勢是可以通過仿真得到損耗和芯片結溫，而3D熱仿真的優勢是可以得到散熱器熱阻值。采用3D和PLECS聯合熱仿真的目的是提高仿真結果的精度。

圖6.IGBT熱等效網絡

基于第七代IGBT FP25R12W2T7，使用PLECS仿真計算出損耗后，導入到3D熱仿真可以得到散熱器的熱阻，再將散熱器熱阻導入到PLECS迭代后重新仿真，可以得到IGBT和二極管的晶圓的結溫，具體結果請參見表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；

調制比為1；

輸出頻率為50Hz；

散熱器的時間常數為67s；

輸出功率因數為0.85；

表1.IGBT7熱仿真結果