最强大脑林建东视频:[图文]优化变频器设计的技术和方法

引言：全球对于节能和绿色能源的需求使得马达变频驱动在工业应用领域不断增长，甚至还扩展到民用产品和汽车领域。因此在过去几年，市场对变频器的需求量和相应的产量一直在持续增长。随着产量的不断扩大和技术趋向成熟，变频器市场竞争也日益激烈，对产品性价比的要求不断提高。

标准的三相交流驱动变频器使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)来实现主电路中的6个开关，现在除少量小功率、低成本变频器采用分立IGBT器件外，一般工业变频器均采用模块化IGBT(包括IPM)。模块化概念为用户提供了一个采用绝缘封装且经过检验的功率开关组件，从而减轻了设计工作量，改进系统性能，并提高了变频器的功率等级。

但即便使用IGBT模块，设计上的挑战依然存在。由于IGBT模块的恶劣工作条件(在高压和高温下对大电流进行开关控制)和半导体器件固有弱点，设计工程师必须在确保IGBT模块能够安全工作的同时，发挥其最大性能以实现低成本设计。

本文将首先陈述变频器设计工程师所面临的主要挑战，然后介绍来自英飞凌科技的创新IGBT芯片和封装技术及支持工具，并简要陈述这些解决方案的优点。

变频器设计面临的挑战

IGBT能够安全运行是应用的首要要求。安全运行有两个基本的条件，超越这两个条件运行可引起器件的永久性损坏，这两个条件分别是：

1) Vce ≤ Vces，其中Vce是集电极-发射极瞬态电压，Vces是IGBT芯片的阻断电压(数据表上规定为600V/1200V/1700V/3.3kV/6.5kV)

2) Tj ≤ Tvj,op,max，其中Tj是IGBT芯片的瞬时结温，Tvj,op,max(数据表上规定为125℃或150℃)是进行开关工作时所允许的最大结温

要在应用中遵循这两个条件，必须先理解Vce和Tj是如何建立的。

首先，在变频器电路结构中，IGBT半桥由直流侧供电，直流侧电压Vdc几乎恒定。受电路的电磁场和材料的影响，系统中存在分布电感(见图1)，当IGBT以di/dt的速率将电流关断时，Vce等于Vdc和一个感应电压di/dt×Ls之和，即Vce = Vdc + di/dt×Ls，其中Ls是直流侧和相关半桥所形成的环路的分布电感。Vdc已由应用中的电源或电池电压固定，因此必须限制di/dt和Ls来使Vce ≤ Vces。

需要注意的是：

* di/dt是IGBT芯片的技术特性，它代表IGBT的“软化度”，受门极电阻Rg的影响，但不完全受Rg控制。

* Ls可分成两个部分，一部分处于相关半桥之外(Ls1)，另一部分处于半桥之内(Ls2)。Ls1由半桥外部连接到直流侧的布局结构决定，而Ls2则由半桥内的布局结构决定。

因此，设计工程师所面临的挑战之一是如何调节IGBT关断时的di/dt，以及如何减小Ls。使用合适的缓冲电路能平衡Ls1，但对Ls2没有影响。

其次，IGBT的Tj是由IGBT的功率损耗、热阻(结和环境之间)和环境温度决定的，即Tj = P_loss×Rthja + Ta。如果将Rthja分成Rthjc(结壳之间)、Rthch(管壳和散热器之间)和Rthha(散热器和环境之间)三部分，就可以用三个公式来表示Tj，其中Tc是IGBT管壳的温度，Th是散热器的温度：

* Tj = P_loss×Rthjc + Tc

* Tc = P_loss×Rthch + Th

* Th = P_loss×Rthha + Ta

当变频器工作在正弦脉宽调制时，需用IGBT器件的热阻抗(Zthjc)模型来描述其总体热特性。Tj是波动的，其波动幅度随变频器输出频率而变化。

但在实际应用中Tj很难测量。为满足Tj ≤ Tvj,op,max同时最大限度发挥IGBT的能力，需要准确估算Tj，要估算Tj则首先须知道IGBT的功率损耗。IGBT的功率损耗由IGBT芯片工艺、工作条件(即Vdc、输出电流、开关频率、调制深度和负载功率因数)和门极电压、Rg等门极驱动条件决定，所以在正弦脉宽调制情况下IGBT功率损耗的计算十分复杂。

因此，设计工程师面对的又一挑战是如何在考虑到各种相关条件情况下计算IGBT的功率损耗，并使用Zthjc模型来估算Tj的瞬时值。

第三，对于像电动汽车(小汽车、公交车)这样的应用，变频器的可靠性是一个需要专门考虑的问题，而这基本上是所用IGBT模块可靠性的问题。为高可靠性而设计的IGBT模块采用了特殊材料工艺，所以其成本要比标准可靠性的模块高。因此设计工程师在这一领域所面临的挑战是如何将成本保持在可接受的程度，同时满足应用对可靠性的要求。

第四，在中国的一个特殊情况是，日趋激烈的变频器市场竞争使变频器产品的上市时间比过去任何一个时候都更加关键，这最终导致产品开发时间非常紧迫。而同时由于经济上的原因，许多国内的变频器制造厂商对于研发的投入又十分有限。因此对于中国的设计工程师来说，如何使用有限的研发资源在短时间内完成变频器设计，是他们所面临的一个特殊的挑战。

多种解决方案帮助完成设计

针对变频器设计工程师所面临的设计难题，英飞凌科技提供了下列解决方案来支持应用设计：

1.创新的IGBT芯片工艺

继第3代沟槽场终止型IGBT(IGBT3：E3、T3)之后，英飞凌现在又推出了三种版本的第4代1200V IGBT(IGBT4)，包括

* 高功率版本(HiPo)：具有更好的软化度(关断时更低的di/dt)和比E3更低的Vcesat

* 中等功率版本(MePo)：软化度和E3相同，但速度更快(更低的Eoff)

* 低功率版本(LoPo)：速度比T3快，软化度也比T3好

另外，IGBT4在关断时的di/dt可完全受Rg控制，这是它的另一个优点。基于软化度的提高，IGBT4从下面几个角度降低了变频器尤其是大功率变频器的设计难度：

* 允许更高的直流侧电压(从而能更好地利用IGBT的阻断能力)

* 简化了缓冲电路(从而降低了系统成本)

* 在相同的直流侧电压和安全容限下，可用较低的Rg值来达到较快的开关速度(从而使开关损耗保持不变)

2.创新的封装技术

我们很快还将会推出一种被称为PrimePACK的全新模块封装(见图2)。

改进的封装设计还为PrimePACK带来了另外两方面的优点：

1) 通过改进芯片的布局和基板设计减小了热阻。与IHM 130×140封装相比，PrimePACK在安装面积减小14%的情况下将热阻减小了30%

2) 通过改进焊线工艺，使Tvj,op,max可定义在150℃，这比大多数现有封装的指标高出25℃

封装技术的创新不仅提高了IGBT模块的散热能力，还提高了其在功率循环(PC)和热循环(TC)能力方面的可靠性。随着焊线工艺的改进，具有150℃ Tvj,op,max的IGBT模块能够在相同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，借助陶瓷衬底和基板材料的创新，IGBT模块的TC能力也得到提高，同时将成本控制在可接受水平以内。所有这些都有助于解决电动汽车应用领域设计工程师所面临的难题，即如何选择标准成本的IGBT模块来达到所需的可靠性。

3.用于器件选型的计算程序

英飞凌科技提供了一个名为IPOSIM的基于Excel的计算程序。IPOSIM利用数据表，按用户设置的工作条件、Zthjc模型和正弦脉宽调制工作原理计算IGBT和续流二极管的功率损耗和温度。根据用户设定的Tj上限及对每个IGBT模块所规定的RBSOA限制，IPOSIM可以列出给定工作条件下满足上述限制的IGBT模块清单。IPOSIM还能计算被选中的模块在不同工作条件下所能提供的最大输出电流，并帮助用户确定所需的散热器热阻规格和所允许的最大环境温度。此外，该程序还以图表的形式给出计算结果，便于用户进行分析，它甚至能对一组连续变化的工作点进行计算。高级用户能利用IPOSIM的数据库在IPOSIM中创建新的型号，或在实际条件与数据表测试条件不同时按实际条件进行计算。最新版本的IPOSIM还提供了一项新的功能，使用户能够对四个不同类型的IGBT模块就电流输出能力随开关频率变化的关系进行比较。

IPOSIM将设计工程师从繁重的计算工作中解放出来，并帮助他们合理地选择IGBT模块类型。虽然它只是一个理论计算程序，但可以给设计优化和定量分析带来极大的方便。该程序可从英飞凌网站免费下载。

4.评估板

评估板是模块制造商针对待评估IGBT模块设计并经过测试的应用电路，具有门极驱动和IGBT保护等功能。提供评估板主要出于两个目的：

1) 促进和加速用户对IGBT模块的测试过程

2) 提供模块外围电路参考设计

除了评估板，我们还向用户提供全套的设计文档，以便在变频器设计工程师面对紧迫的开发时间和有限研发资源时使他们能够有一套行之有效的解决方案。

结论

针对如何处理di/dt、寄生电感、损耗及温度计算、可靠性要求、紧迫的开发时间和可用资源等一系列设计挑战，我们提供了多种解决方案，其中包括在器件层面采用创新的IGBT模块技术、在软件层面提供多功能计算程序及在系统层面提供评估板。