账号:
密码:
智动化 / 文章 /

TRENCHSTOP IGBT7:工业驱动器的理想选择
[作者 英飛凌科技提供]   2020年09月30日 星期三 浏览人次: [923]

变速驱动器(VSD)相较於以机械节流进行的定速运作,能够节省大量电力。IGBT7适合需要高效率和功率密度的变速驱动器使用。


电动马达消耗近一半的发电量 [1]。相较於以机械节流进行的定速运作,变速驱动器(VSD)可节省大量电力。其中需要高效、强大及符合成本效益的功率半导体以提升变频率,并进一步提升整体系统效率。


驱动应用的主要议题之一,就是马达绝缘系统固有限制对切换速度的限制。因此切换斜率 (dv/dt)限制在 2 到 10 kV/μs 之间,一般目标为5 kV/μs。此外,一般仅需要短时间的马达过载,例如在启动时提供初始起动转矩。英飞凌1200 V TRENCHSTOP? IGBT7,以及射极控制二极体 EC7 技术,可满足以上需求。IGBT7是以最新的微图案沟槽技术为基础 [2],导通损耗远低於IGBT4。其中提供高度的控制能力,并可在短暂的过载条件下於175 。C运作。


主要优点包括:


*非常低的导通电压,例如 VCE(sat) = 1.65 V (@Tvj = 摄氏125度)


*过载时 Tvj,op = 摄氏175 度


*增强 dv/dt 的控制能力


*dv/dt = 5 kV/μs 时的切换损耗最隹化


*8 μs 短路强健性,具降额曲线


*加强 FWD (飞轮二极体) 柔性


*高功率密度,封装尺寸最多减少 40%


*深获肯定的封装技术和广泛的产品组合


晶片技术

IGBT7单元概念的特色,是实作以亚微米台面分隔的条纹图案沟槽单元[2],而不是之前使用的方形沟槽单元。图一是显示MPT结构及可能沟槽设计的示意图。对於单元间距较小,以及闸极区域之间为窄台面的沟槽单元,靠近射极电极的载子储存会显着增加。因此漂移区的导电率显着增加,造成正向电压大幅降低。



图1 : 晶片技术概观
图1 : 晶片技术概观

与上一代IGBT4相比,IGBT7的关断损耗几??相同,同时大幅降低静态损耗。其导通电压比 IGBT4 T4晶片减少约 20%。Tvj = 125。C 时的标准值为1.65 V。这可在最终应用大幅降低损耗,特别是工业驱动器应用,因为这类应用通常以中度切换频率运作。


射极控制二极体EC7是为驱动应用量身打造,不论是IGBT本身或IGBT7的FWD都是如此。相较於之前的射极控制二极体EC4,EC7降低100 mV的正向压降,并且还加强逆向恢复柔性 [3]。


最隹化切换

对於获得变频器供应一般脉冲宽度调变(PWM)电压讯号的马达,其绝缘系统将承受更高的电应力。其中产生的电压尖峰和上升时间可能导致电弧放电,最终造成线圈绝缘失效。因此马达制造商一般建议,在 400 V马达的最糟情况下,不要超过约5 kV/μs的dv/dt限制。


TRENCHSTOP? IGBT7为此提供高度的控制能力。控制能力代表装置调整闸极电阻值 (RG)以改变dv/dt的能力。这将会影响总切换损耗(Etot)[3]。TRENCHSTOP?IGBT7本身最适合5 kV/μs左右的一般dv/dt值。在TRENCHSTOP? IGBT7资料表之中,dv/dt值和切换损耗是根据外部闸极电阻RG所提供[4]。导通dv/dt曲线是依据10% 额定电流和室温条件指定,关断曲线则是依据额定电流和室温条件指定。其中应注意dv/dt程度(特别是导通dv/dt)并非绝对,也取决於最终测试设定。


图二提供范例,描述IGBT dv/dt与100 A模组FS100R12W2T7闸极电阻RG 的函数关系。额定RG为1.8 Ω时,关断dv/dt 已经低於5 kV/μs,导通dv/dt则非常接近此项限制。图二显示需要4 kV/μs dv/dt时的闸极电阻值。图三显示依据电阻的标准化切换损耗。在4 kV/μs情况下,总切换损耗仅比额定RG.情况下的值高7%。



图2 : IGBT dv/dt 对比 FS100R12W2T7 的闸极电阻 RG
图2 : IGBT dv/dt 对比 FS100R12W2T7 的闸极电阻 RG

图3 : Tvj = 125。C、VDC = 600 V 情况下的切换损耗,标准化为 ICnom
图3 : Tvj = 125。C、VDC = 600 V 情况下的切换损耗,标准化为 ICnom

功率损耗

减少功率损耗同时大幅提升功率密度,是重要的设计目标 [3]。这样可协助最终使用者建构更高效可靠的电力电子系统。


我们依据表一提供的一般应用条件,模拟两个额定25 A电源模组的变频器级功率损耗。图四显示特定 dv/dt 限制条件下的切换损耗类似,但传导损耗显着降低。此外,二极体损耗也减少。总而言之,这样可以降低 15% 的功率损耗。


表一:应用叁数

直流连结电压

VDC = 540 V

输出电流

Iout = 21.5 A

切换频率

fsw = 4000 Hz

最大切换斜率

dv/dt = 5 kV/µs

输出频率

f0 = 50 Hz

功率因数

cosφ = 0.85

调变指数

mi = 1



图4 : 模拟 FP25R12W2T4和FP25R12W2T7(Easy2B)的每开关功率损耗
图4 : 模拟 FP25R12W2T4和FP25R12W2T7(Easy2B)的每开关功率损耗

扩大机座尺寸

IGBT7 的主要系统优点不仅是降低功率损耗,也可提升功率密度,以及提供更高的作业温度。驱动器制造商一般会以单一机械机座尺寸,提供多种马达功率等级。TRENCHSTOP? IGBT7 由於功率密度较高,可扩展现有机座尺寸。


下节将提供通用驱动器(GPD)的应用范例。其中的重点是提升功率密度,进而降低系统成本。使用缩小40%的电源模组,也就是以Easy1B 取代Easy2B,可实现此项目标。接面温度模拟於过载条件下进行,其中假设7.5 kW(ND)及5.5 kW(HD)功率等级马达的工业正常负载(ND)及重载(HD)运作条件[4]。


在这两种条件下,都可以使用Easy1B封装的IGBT7。此外由於作业温度更高,因此可以减少冷却负担。图五显示ND负载曲线范例,其中假设3秒150%过载和60秒的110% 过载,以及17.8A的基本负载输出电流。接面温度 Tvjop 是依据(每开关)散热器 RthHA热阻提供。在相同RthHA的情况下,IGBT7可於更低的温度运作。或是利用更高的作业温度175。C,就可以接受更高的RthHA值,搭配比较不复杂的散热器 (例如标准铝挤型) 或较弱的风扇。



图5 : 正常负载(ND)情况下以 RthHA 函数表示的接面温度:比较FP25R12W2T4(Easy2B)及FP25R12W1T7(Easy1B)
图5 : 正常负载(ND)情况下以 RthHA 函数表示的接面温度:比较FP25R12W2T4(Easy2B)及FP25R12W1T7(Easy1B)

结论

比较IGBT4和IGBT7之後,显示IGBT7具备显着优势,特别是变速驱动器应用。Easy 1B和Easy 2B封装IGBT7的模拟结果,显示IGBT7有潜力达到远高於IGBT4的功率密度。这是因为IGBT7可在更小的封装之中,提供相同的额定电流。此外IGBT7最适合在5 kV/μs的dv/dt情况下运作,以满足马达绝缘系统需求。


总之,IGBT7是一种极具吸引力的解决方案,适合需要高效率和功率密度的变速驱动器使用。


(本文作者Benjamin Sahan、Yizheng Zhou、Ainhoa Puyadena Mier、Uwe Jansen、Alexander Philippou、Max Seifert、ChristianR.Muller 及 Christian Jaeger任职於英飞凌科技)


叁考资料

[1] F. Ferreira, A. de Almeida "Reducing Energy Costs in Electric-Motor-Driven Systems", IEEE Industry Applications Magazine 2018


[2] C. Jaeger, et al, “A New Sub-Micron Trench Cell Concept in Ultrathin. Wafer Technology for Next Generation 1200 V IGBTs” ISPSD, Sapporo, Japan, 2017.


[3] C. R. Muller, et al., “New 1200 V IGBT and Diode Technology with Improved Controllability for Superior Performance in Drives Application”, PCIM Europe, Nuremberg, Germany, 2018


[4] Infineon Technologies AG “AN2018-14 TRENCHSTOP? 1200 V IGBT7 Application Note”


相关文章
马达与减速机预兆诊断技术先行
智慧型後车灯
电源模组设计考量及逆变器马达驱动优化
以即用eSIM 行动通讯能力快速安全大规模部署工业物联网
全新电容式 MEMS设计大幅提升音讯拾取品质
comments powered by Disqus
  相关新闻
» 网路资安业者首发工业级丛集式IPS 智慧工厂防护更上层楼
» 台湾国际医疗暨健康照护展--台湾希施展示???高通量合成仪
» 迈向绿色复苏之路 2020台湾循环经济周解开全体系轴节
» 软硬体合推新一代混合云架构 促企业加速享用AI运算技术
» AI物料辨识技术翻转循环材料高加值
  相关产品
» 瑞萨新款光隔离型三角积分调变器适用於工业自动化应用
» 中美万泰推出医用电脑电源内装设计WMP-24G-PIS
» 英飞凌推出全新马达系统IC 开拓汽车马达系统的整合新境界
» 中美万泰推出新款Intel第八代Whisky Lake工业级触控电脑
» 安勤触控双萤幕AIO POS终端机RiVar模组化扩充快速


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2020 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@hope.com.tw