700V EconoDUAL? 3 IGBT7助力690V變頻器擴(kuò)容提頻
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隨著國(guó)家“雙碳”政策的推進(jìn)，大力推廣節(jié)能減排技術(shù)已經(jīng)在各行業(yè)逐步深化。在高能耗的工業(yè)應(yīng)用中，通過(guò)變頻器控制電機(jī)調(diào)速可以節(jié)能大約15-40%，有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益， 因此一直是節(jié)能減排的重要措施。作為通用變頻器重要的細(xì)分產(chǎn)品，690V變頻器主要應(yīng)用于冶金、石油、造紙、港口大型起重設(shè)備和船舶等領(lǐng)域。英飛凌上一代的1700V EconoDUAL? 3 IGBT4模塊已經(jīng)在690V變頻器中得到了廣泛應(yīng)用。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展和變頻器系統(tǒng)功率密度的提升，英飛凌基于最新的1700V IGBT7芯片和EC7二極管芯片推出了新一代的EconoDUAL? 3 IGBT7模塊。
產(chǎn)品概述
由于芯片電流密度的提升，IGBT7模塊有6個(gè)電流等級(jí)和8種產(chǎn)品，如下表所示。
■ 更高電流等級(jí)：除了與IGBT4的4個(gè)電流等級(jí)兼容，IGBT7還提供750A和900A兩款更高電流等級(jí)的產(chǎn)品，可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的功率密度。
■ 加強(qiáng)反并聯(lián)二極管：此外，F(xiàn)F750R17ME7D_B11配置了1200A的反并聯(lián)二極管芯片，更適合零功率因數(shù)和負(fù)功率因數(shù)應(yīng)用工況，比如SVG，使用IGBT模塊的AFE整流單元。
■ 直接水冷設(shè)計(jì)：FF900R17ME7W_B11的銅基板采用了直接水冷設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提升模塊的散熱效率和系統(tǒng)的功率密度。
EconoDUAL? 3
封裝外形圖
FF900R17ME7W_B11
直接水冷模塊的銅基板
性能優(yōu)勢(shì)
1700V EconoDUAL? 3 IGBT7除了有更豐富的產(chǎn)品系列和更高的電流等級(jí)，還有哪些獨(dú)特之處可以助力提升690V變頻器的系統(tǒng)價(jià)值？且聽(tīng)我一一分析。
1
IGBT7的VCE sat更低
以FF600R17ME4_B11和 FF600R17ME7_B11為例，當(dāng)Ic為600A，結(jié)溫為150℃時(shí)，兩種器件的IGBT飽和壓降為分別為2.45V 和1.95V。FF600R17ME7_B11比FF600R17ME4_B11低0.5V，大約20.4%。
2
IGBT7的動(dòng)態(tài)特性更優(yōu)
由于EC7二極管芯片的特性更軟，IGBT7芯片的開(kāi)通dv/dt可以更高，開(kāi)通損耗也更低。在相同的測(cè)試平臺(tái)，IGBT7模塊FF900R17ME7_B11的開(kāi)通dv/dt最高為9.4kV/us，而IGBT4模塊FF600R17ME4_B11僅為3.4kV/us（綠色實(shí)線對(duì)應(yīng)的dv/dt最大值），如下圖a所示。主要的原因是在圖b中，F(xiàn)F600R17ME4_B11的二極管EC4在3.4kV/us已經(jīng)出現(xiàn)了比較明顯的關(guān)斷電壓震蕩，從而限制了IGBT開(kāi)通速度的增加。在相同的關(guān)斷電阻，F(xiàn)F900R17ME7_B11的dv/dt比FF600R17ME4_B11大，有利于降低關(guān)斷損耗。
a
b
3
IGBT7的工作結(jié)溫更高
在下圖a中，IGBT7允許的最高工作結(jié)溫為175℃，持續(xù)時(shí)間t1最大為60秒，占空比Dmax最高為20%。當(dāng)溫度周期T為300秒時(shí)，t1最大正好是60秒。此時(shí)，IGBT7的結(jié)溫時(shí)間曲線和變頻器典型的重過(guò)載電流時(shí)間曲線重合，如下圖c所示，從而可以根據(jù)IGBT7的150℃長(zhǎng)期結(jié)溫和175℃過(guò)載結(jié)溫評(píng)估變頻器的重過(guò)載工況。與下圖b中IGBT4的最高工作結(jié)溫150℃相比，IGBT7額外的25℃過(guò)載結(jié)溫可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的功率密度。
a – IGBT7允許的工作結(jié)溫和時(shí)間曲線；
b – IGBT4允許的工作結(jié)溫和時(shí)間曲線；
c – 變頻器典型的重過(guò)載電流和時(shí)間曲線
4
IGBT7的EconoDUAL? 3的
功率端子散熱更強(qiáng)
隨著系統(tǒng)功率密度的提升，EconoDUAL? 3封裝交直流功率端子的溫升可能會(huì)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的瓶頸。為此，新一代的EconoDUAL? 3封裝優(yōu)化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加了DCB和功率端子之間的銅綁定線數(shù)量，以提高散熱效率，如下圖所示。
a – FF600R17ME4_B11
b – FF600R17ME7_B11
EconoDUAL? 3模塊功率端子與DCB連接的銅綁定線
5
IGBT7的EconoDUAL? 3的
內(nèi)部等效電阻更低
此外，如下表所示，IGBT7模塊內(nèi)部連接的歐姆電阻RCC’+EE’，也稱(chēng)引線電阻，在常溫下為0.8毫歐，比IGBT4模塊的1.1毫歐降低了27.3%，可以降低引線電阻的損耗。
EconoDUAL? 3 IGBT4和IGBT7
模塊內(nèi)部的引線電阻阻值
仿真案例
PLECS仿真工況：既然IGBT7比IGBT4有這么多的優(yōu)勢(shì)，那它在690V變頻器的產(chǎn)品層面表現(xiàn)如何？莫急，下面主要以450A電流等級(jí)的IGBT7和IGBT4為例，通過(guò)電力電子仿真軟件PLECS和基于規(guī)格書(shū)的器件熱模型對(duì)兩種IGBT模塊進(jìn)行詳細(xì)的仿真分析。下表是690V逆變器的典型工作參數(shù)。
PLECS仿真結(jié)果，輸出電流和結(jié)溫：下圖是四種IGBT模塊的輸出電流和IGBT芯片結(jié)溫的仿真曲線。IGBT4的最高工作結(jié)溫是150℃，F(xiàn)F450R17ME4_B11對(duì)應(yīng)的輸出電流為275A。IGBT7的最高工作結(jié)溫是175℃，F(xiàn)F450R17ME7_B11對(duì)應(yīng)的輸出電流343A, 比IGBT4高24.7%。同理，F(xiàn)F600R17ME4_B11的輸出電流為302A，F(xiàn)F600R17ME7_B11的輸出電流380A,比IGBT4 高25.8%。相同輸出電流時(shí)，IGBT7的結(jié)溫明顯低于IGBT4，且隨著輸出電流的增加，兩者的溫差越來(lái)越大。
IGBT7結(jié)溫低的原因是損耗低。假定一個(gè)IGBT模塊的輸出電流為271A，下圖是半個(gè)IGBT模塊的損耗對(duì)比， FF450R17ME4_B11的損耗是325.9W，F(xiàn)F450R17ME7_B11的損耗是246.2W，比FF450R17ME4_B11低24.4%，因此IGBT7模塊可以降低系統(tǒng)損耗和提升系統(tǒng)效率。
PLECS仿真結(jié)果，結(jié)溫，殼溫和散熱器溫度：下圖是IGBT的結(jié)溫、殼溫和散熱器溫度對(duì)比，F(xiàn)F450R17ME4_B11的結(jié)溫、殼溫和散熱器溫度分別為115.3℃、98.4℃和91.2℃，F(xiàn)F450R17ME7_B11分別為105℃、86.6℃和79.5℃。IGBT7的結(jié)溫、殼溫和散熱器溫度比IGBT4低10.3℃、11.8℃和11.7℃，可以提高系統(tǒng)的可靠性。
PLECS仿真結(jié)果，提升輸出電流和開(kāi)關(guān)頻率：IGBT7損耗低和溫升低的優(yōu)勢(shì)有利于提升IGBT的輸出電流或者開(kāi)關(guān)頻率（載頻）。在1250Hz，217A輸出時(shí)，F(xiàn)F450R17ME4_B11的結(jié)溫為115.3℃，F(xiàn)F450R17ME7_B11的結(jié)溫為105℃。如下圖所示，如果保持與FF450R17ME4_B11相同的開(kāi)關(guān)頻率和結(jié)溫，F(xiàn)F450R17ME7_B11的輸出電流可以增加到240A，增加了23A，10.6%。如果保持與FF450R17ME4_B11相同的輸出電流和結(jié)溫，F(xiàn)F450R17ME7_B11的開(kāi)關(guān)頻率可以增加到1750Hz，增加了500Hz，40%。
IGBT開(kāi)關(guān)頻率[Hz]
IGBT7助力690變頻器功率跳檔的PLECS仿真：IGBT7允許的最高工作結(jié)溫是175℃，IGBT4是150℃。參考下表690V 200kW和250kW變頻器的額定電流、輕過(guò)載電流和重過(guò)載電流，通過(guò)器件的規(guī)格書(shū)熱模型和PLECS仿真評(píng)估FF450R17ME7_B11是否能實(shí)現(xiàn)變頻器的功率跳檔。仿真雖然和真實(shí)的變頻器系統(tǒng)有差距，但是它能幫助我們快速評(píng)估器件性能的表現(xiàn)趨勢(shì)。
下表是IGBT4和IGBT7的仿真結(jié)溫對(duì)比，在不同工況下有如下區(qū)別：
在額定電流工況下，F(xiàn)F450R17ME4_B11的結(jié)溫是115.3℃，距離最高結(jié)溫有34.7℃的裕量。FF450R17ME7_B11的結(jié)溫是129.6℃，距離IGBT7允許的最高連續(xù)運(yùn)行結(jié)溫150℃有21.4℃的裕量。
在110%輕過(guò)載工況，F(xiàn)F450R17ME4_B11的結(jié)溫是122.8℃，距離最高結(jié)溫有27.2℃的裕量。FF450R17ME7_B11的結(jié)溫是135.1℃，距離最高結(jié)溫有39.9℃的裕量
在150%重過(guò)載工況，F(xiàn)F450R17ME4_B11的結(jié)溫是118.7℃，距離最高結(jié)溫有31.3℃的裕量。FF450R17ME7_B11的結(jié)溫是137.2℃，距離最高結(jié)溫有37.8℃的裕量。
基于仿真評(píng)估結(jié)果，從結(jié)溫裕量的角度來(lái)說(shuō)，F(xiàn)F450R17ME7_B11滿(mǎn)足250kW變頻器的工況，與FF450R17ME4_B11相比，它可以助力變頻器功率從200kW擴(kuò)展到250kW，實(shí)現(xiàn)功率跳檔。
總結(jié)
本文首先介紹了1700V EconoDUAL? 3 IGBT7的產(chǎn)品系列和性能特點(diǎn)，然后以1700V 450A IGBT4和IGBT7為例，通過(guò)PLECS仿真詳細(xì)研究了IGBT7在損耗、溫升和高載頻等方面的優(yōu)勢(shì)。由于IGBT7的最高工作結(jié)溫是175℃，仿真結(jié)果表明IGBT7可以實(shí)現(xiàn)變頻器的功率跳檔。為了便于大家理解，下圖總結(jié)了IGBT7的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)和對(duì)690V變頻器的應(yīng)用價(jià)值。
評(píng)論