1、用于高壓變頻器的V系列IGBT,我國(guó)發(fā)電量的6070左右用于推動(dòng)電動(dòng)機(jī)做功，其中90的電機(jī)是交流電機(jī)，大部分為40040000Kw，310Kv的大功率高壓交流電動(dòng)機(jī)。由于采用直接恒速拖動(dòng)，每年造成大量的能源浪費(fèi)。 占工業(yè)用電30以上的各種風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載，工況變化較大，如采用交流調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行，節(jié)能效果明顯。以平均節(jié)電20計(jì)算，對(duì)全國(guó)來(lái)說(shuō)年節(jié)電500億度，同時(shí)可以相應(yīng)減少2000萬(wàn)噸發(fā)電用煤，50萬(wàn)噸二氧化硫和1200萬(wàn)噸二氧化碳的排放。 e.g. 一個(gè) 60 萬(wàn)千瓦電廠包括風(fēng)機(jī)、水泵在內(nèi)，一共有 20臺(tái)輔機(jī)，其中 13臺(tái)可以應(yīng)用高壓變頻。 一座高爐需配備風(fēng)機(jī)、水泵、沖渣泵等 10 臺(tái)，都

2、可配備高壓變頻器。 一條 5000噸/天 的水泥生產(chǎn)線，包括風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)在內(nèi)，共需 11臺(tái)輔機(jī)，都可配備變頻器。,高壓變頻器,高壓變頻器結(jié)構(gòu),采用IGCT/SGCT的電流源型,電流源型 AB公司 優(yōu)點(diǎn)： 易于控制電流，便于實(shí)現(xiàn)能量回饋和四象限運(yùn)行 容易實(shí)現(xiàn)旁路控制功能，在裝置出現(xiàn)故障時(shí)不影響電網(wǎng)運(yùn)行 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用的功率器件少，使驅(qū)動(dòng)和吸收電路簡(jiǎn)化 缺點(diǎn)： 變頻器的性能與電機(jī)的參數(shù)有關(guān)，不易實(shí)現(xiàn)多電機(jī)聯(lián)動(dòng)，通用性差 電流的諧波成分大，污染和損耗較大,高壓變頻器結(jié)構(gòu),二極管箝位式三電平型,三電平電壓源型 S公司，A公司 優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本 低，使用功率器件數(shù)量最少 （12只） 避免了

3、器件的串聯(lián)，提高 了裝置的可靠性 缺點(diǎn)： 高次諧波對(duì)電網(wǎng)造成污染 電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率 低。隨著轉(zhuǎn)速的下降，功率 因數(shù)和效率都會(huì)相應(yīng)降低,高壓變頻器結(jié)構(gòu),H橋級(jí)聯(lián)型 R公司，完美無(wú)諧波 優(yōu)點(diǎn)： 采用技術(shù)成熟、價(jià)格低廉的低壓IGBT組成逆變單元，通過(guò)串聯(lián)單元的個(gè)數(shù)適應(yīng)不同的輸出電壓要求 完美的輸入輸出波形，使其能適應(yīng)任何場(chǎng)合及電機(jī)使用 由于多功率單元具有相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，便于將功率單元做成模塊化 無(wú)需外加濾波器即可滿(mǎn)足各國(guó)供電部門(mén)對(duì)諧波的嚴(yán)格要求 輸入功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，總體效率高達(dá)97%。 缺點(diǎn)： 使用的功率單元及功率器件數(shù)量較多，裝置的體積較大 實(shí)現(xiàn)能量回饋和四象限運(yùn)行困難，且成本較

4、高 當(dāng)電網(wǎng)電壓和電機(jī)電壓不同時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)旁路切換控 制,H橋級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu),高壓變頻發(fā)展方向,高性能同步機(jī)及四象限能量回饋 高壓變頻器可以細(xì)分為通用型高壓變頻器和高性能（牽引型）高壓變頻器。高性能變頻器可以實(shí)現(xiàn)精密控制和四象限能量回饋。高性能變頻器的調(diào)速需求大于節(jié)能需求。通用型高壓變頻器國(guó)內(nèi)已基本實(shí)現(xiàn)替代進(jìn)口，但高性能高壓變頻器目前國(guó)內(nèi)使用的基本為進(jìn)口產(chǎn)品。 以2000kw的高性能礦井提升機(jī)用高壓變頻器為例。 售價(jià)可達(dá)1000萬(wàn)，單價(jià)高達(dá) 5000元/kw，而通用變頻器目前基本為 500元/kw。高性能變頻器單價(jià)是通用型的 10倍。 目前，礦井提升機(jī)每年市場(chǎng)需求在 50套，金額在 4.57.5億左右

5、。加上井下變頻器的市場(chǎng)，煤炭行業(yè)是高壓變頻器新的藍(lán)海。我們預(yù)計(jì)隨著煤炭行業(yè)的進(jìn)一步整合，實(shí)力雄厚的能源集團(tuán)將更有能力與意愿投資變頻器，礦井提升機(jī)用變頻器未來(lái)每年的規(guī)模超過(guò) 20億元。,高壓, SVG行業(yè)合作伙伴,IGBT的歷史,IGBT芯片構(gòu)造的變遷,平面型,溝槽柵型,Field-Stop,NPT,PT-Epi,IGBT芯片尺寸的比較,18% / 5y Die size reduction,IGBT模塊構(gòu)造的變遷,PIM-C,E+,Solder-free terminal,EVK-series,-series,Econo Package,Press fit pin,pin,Spring,Eco

6、no Package (RoHS, Solder-free terminal),Primary screw PKG,Standard screw type Primary solder PKG,European thinner 螺旋彈簧式和壓接式,V系列的特性改善,V-100A,150A,V-75A and smaller,Possibly High Power,U-IGBT,SourceX-3,X4-75A and smaller,X4-100,150A,25%小形化損失低減両立 !,V系列：軟關(guān)斷,Conventional,CH1 VCE : 200V/div CH2 IC : 25A/d

7、iv CH3 VGE : 20V/div,VDC=900V, 2xIc Intentionally large L-stray,V-IGBT,V系列：更好的Rg可控性,Trench-A,100ns,7.7W,40W,-B,V,V,通過(guò)外接門(mén)極Rg，更好地控制開(kāi)通速度 改善了dv/dt和開(kāi)通損耗的折中特性， 實(shí)現(xiàn)了低損耗和低干擾,門(mén)極電阻可控性,隨著低損耗需求的增大，IGBT的開(kāi)關(guān)速度越來(lái)越快。但是，開(kāi)關(guān)速度變快后，由于電流、電壓的變化將產(chǎn)生EMI干擾。特別是開(kāi)通特性，對(duì)EMI干擾的影響很大。因此，在EMI干擾問(wèn)題尚未解決的情況下，需要使開(kāi)通時(shí)的電流、電壓緩慢變化（軟開(kāi)通）。因此，必須通過(guò)門(mén)極電

8、阻Rg來(lái)調(diào)整開(kāi)通時(shí)的電流、電壓變化率。 第六代V系列IGBT產(chǎn)品，通過(guò)門(mén)極電阻Rg可以輕松地控制開(kāi)通速度。下圖顯示了在1/10的額定電流下，改變Rg時(shí)的開(kāi)通開(kāi)關(guān)波形。該圖還顯示了其對(duì)稱(chēng)支路的FWD電壓變化。 如圖，通過(guò)改變門(mén)極電阻，使開(kāi)通產(chǎn)生的反向恢復(fù)dv/dt發(fā)生極大的變化。因此，在V-IGBT中可通過(guò)門(mén)極電阻Rg輕松地控制電流、電壓變化率。在設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)選擇合適的門(mén)極電阻Rg，可以得到最佳的EMI干擾和開(kāi)關(guān)損耗的折衷特性。,EMI特性改善,在通過(guò)Rg改善開(kāi)通速度可控性的同時(shí)，要注意EMI干擾與開(kāi)通損耗的折衷關(guān)系。 下圖：作為EMI干擾主要原因的反向恢復(fù)dv/dt和開(kāi)通損耗之間的關(guān)系。與U系

9、列IGBT產(chǎn)品相比，在同樣的反向恢復(fù)dv/dt下，V系列IGBT的開(kāi)通損耗較小。 結(jié)論：與U-IGBT產(chǎn)品相比，V-IGBT的反向恢復(fù)dv/dt與開(kāi)通損耗間的折衷關(guān)系得到了改善。V系列IGBT模塊同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低損耗和低干擾。,V系列：低浪涌電壓,VDC=600V,800V,900V,1000V,X4,V,Vpeak=784V,Vpeak=768V D16V,1020V,964V D56V,1168V,1060V D108V,1252V,1152V D100V,VDC900V時(shí)的浪涌電壓降低100V以上,V系列：浪涌電壓對(duì)Rg的依賴(lài)性,浪涌電壓對(duì)門(mén)極電阻Rg的依賴(lài)性是有峰值的。,測(cè)試條件： Vge

10、=15V, Vcc=900V, Ic=600A, Tj=RT Rgoff=2.2,2MBI1000VXB-170-50,V系列：低熱阻封裝（優(yōu)化布局）,以前的封裝,V系列封裝,Hotspots,低熱阻 均溫分布 避免熱量過(guò)于集中 以前： IGBT-IGBT（發(fā)熱源集中） V-PKG： IGBT-FWD-IGBT （發(fā)熱源分散） 芯片分布到DBC的外周 加速熱循環(huán)（新無(wú)鉛焊錫）,Example of EP2,3XT V-PIM,提高功率循環(huán)壽命,Copper base plate,(c),(b),(a),Mode 1 : 熱應(yīng)力 (a) 熱機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致焊錫結(jié)合處產(chǎn)生裂縫 (b) 鋁線脫落（芯片部

11、分） Mole 2 : 機(jī)械損壞 (c) 鋁線脫落(端子部分） Mode 3 : 腐蝕 (d) 銅箔之間的絕緣受損,(d),DCB substrate,Case,Power chip (IGBT/FWD),Al-bond wire,Tj Power cycle,Tc Power cycle,Tc功率循環(huán)壽命比較,Candidate idea; tbd. in future,40 50 60 70 80 90,富士 (標(biāo)準(zhǔn)模塊）,DTc 功率循環(huán)壽命 : 16,000cy at 80deg.C,I社 標(biāo)準(zhǔn)模塊(Cu),Al2O3 + Cu 底板,Al2O3 + Cu,富士 New 2in1,I社

12、品 （富士試験）,DTc (oC),I社 PrimePACK,富士模塊具有更高的可靠性。,Data from Infineon website 1200V IGBT4 - High Power- a new Technology Generation (ed_pcim06_1200V IGBT4 - High Power- a new Technology Generation .pdf),富士 Tjmin=25oC,富士 Tjmax=150oC,Fuji Experimental results, not official guarantee,Tj功率循環(huán)壽命比較,富士模塊具有更高的可靠性。

13、,Test conditions;-40oC(1HR)RT(0.5H)125oC(1H),300 cycles后,一般的無(wú)鉛焊錫,富士使用的無(wú)鉛焊錫,焊錫裂縫,Candidate idea; tbd. in future,規(guī)格書(shū)概略,例子：1200V/200A 2in1 模塊,絕對(duì)最大值,一般電氣特性,熱特性,特性曲線,外形尺寸,規(guī)格書(shū)概略-絕對(duì)最大值,絕對(duì)不允許超出 的數(shù)值,由于門(mén)極采用MOS結(jié)構(gòu)，易受靜電擊穿；因此需要 采取必要的防靜電措施。 注：門(mén)極防靜電能力小于1kV。千萬(wàn)不能在無(wú)任何,防靜電措施下用手觸摸門(mén)極。 允許的最大連續(xù)電流 允許的最大損耗值 =(Tjmax-25)/Rthjc

14、_IGBT 允許的最高結(jié)溫（工作結(jié)溫往往推薦 25降額） 推薦安裝力矩，并非最大值 陶瓷基板提供絕緣能力，將底板和芯片進(jìn)行隔離 不要使用跌落后的模塊（陶瓷基板可能碎裂從而導(dǎo)致電擊的危險(xiǎn)）,規(guī)格書(shū)概略-一般電氣特性,注：關(guān)注不同結(jié)溫下電氣 特性中的最小、最大值,IGBT開(kāi)通的最小門(mén)檻值,如果電路誤動(dòng)作，門(mén)極電壓超 過(guò)VGE(th) ，IGBT將會(huì)誤開(kāi)通 規(guī)格書(shū)曲線讀取QG來(lái)計(jì)算驅(qū)動(dòng)電路功 率，輸入電容(Cies)隨著Vce不同而 改變 規(guī)格書(shū)中的Rg值是測(cè)試驅(qū)動(dòng)電阻 值。對(duì)于大電流模塊，使用標(biāo)稱(chēng) 電阻值容易產(chǎn)生高浪涌電壓 注：標(biāo) 稱(chēng) 驅(qū) 動(dòng) 電 阻 值 不 是 廠 家 驅(qū) 動(dòng)推薦值,導(dǎo)通壓降用來(lái)

15、計(jì)算導(dǎo) 通損耗。,關(guān)斷和開(kāi)通延時(shí)用來(lái)設(shè) 定死區(qū)時(shí)間,IGBT-電流參數(shù), 標(biāo)稱(chēng)電流（Ic） 2MBI200VH-120-50 富士Tjmax標(biāo)稱(chēng)電流在Tc=100時(shí)定義，Tc=25電流大小可以作為一個(gè)參考值 Tjmax Tc (Vce(sat)max Tjmax *Ic *Rthjc) 注：標(biāo)稱(chēng)值僅僅代表IGBT在一定殼溫下允許的直流電流能力，可以作為選擇IGBT的參考，但最終 選擇取決于實(shí)際工作條件和散熱條件！,脈沖電流（Ic_pulse） Ic_pulse定義為T(mén)c=100時(shí)，允許重復(fù)的開(kāi)通脈沖電流，一般是模塊標(biāo)稱(chēng)值的兩倍！ Tj Tc P tot *Rthjc Tjmax 注：1ms僅僅

16、是測(cè)試條件，實(shí)際允許的脈沖寬度和脈沖電流值取決于熱！,Collector current,IGBT-電壓參數(shù),Vces_terminal,di dt,Vces_chip L *,阻斷電壓（Vces）,RBSOA,Vces定義是IGBT芯片不能超過(guò)的電壓值，考慮模塊 內(nèi)部的雜散電感，模塊端子電壓需要做降額考慮！,注：Vces在任何條件下都不能超過(guò)限值，否則模塊很容易損壞！,Static Voltage is limited by absolute maximum rating.,Static Voltage Dynamic Voltage Dynamic Voltage is limited b

17、y RBSOA,SCSOA,IGBT-電壓參數(shù),飽和壓降（Vce(sat)） Vce(sat)描述的是 是IGBT芯片在一定條件（ （Vge=15V，Ic=標(biāo)稱(chēng)值）下的電壓降，分別給出在 Tj=25， Tj=125 ，Tj=150的電壓值。 交越點(diǎn)之上為正溫度系數(shù)，有利于模塊并聯(lián)應(yīng)用。 因此交越點(diǎn)越低越好！,交越點(diǎn),Temperature rise,IGBT-開(kāi)關(guān)參數(shù),ton: 0Vge到10Vce的時(shí)間 tr: 10Ic到10Vce的時(shí)間 tr(i): 10Ic到90Ic的時(shí)間,toff: 90Vge到10Ic的時(shí)間 tf: 90Ic到10Ic的時(shí)間,16,注：富士ton一般比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手大，這

18、是因?yàn)楦皇亢透?jìng)爭(zhēng)對(duì)手的 定義差異導(dǎo)致ton大小差異，富士的定義多包含了90Ic到 10Vce的時(shí)間，如上圖陰影所示；,Rg：門(mén)極串聯(lián)電阻，分為Rgint 和Rgext兩部分。主要用來(lái) 控制開(kāi)通和關(guān)斷的速度。 Qg：為了使IGBT開(kāi)通，G-E間的 充電電荷量。 Cge_ext：外置門(mén)極電容，用來(lái)控制門(mén)極 開(kāi)通速度，抑制門(mén)極電壓振蕩。 Eon,Eoff：開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗。 ton,tr,toff,tr(i)：IGBT開(kāi)通，上升， 關(guān)斷，下降時(shí)間。（主要用來(lái) 決定死區(qū)時(shí)間。）,FWD參數(shù),*,Err Err_Ic *,P sw_FWD fsw*Err,Vdc Vdc_nom,Err_Rgext E

19、rr_Rgstd,正向壓降（VF)） VF描述的是FWD芯片在一定條件下（Vge=0V，If=標(biāo)稱(chēng)值）下的電壓降，分別給出在Tj=25， Tj=125 ，Tj=150的電壓值。 Tjmax Tc (VFmax Tjmax *IF *Rthjc) 反向恢復(fù)損耗（Err）,殼散熱器熱阻(Rthc-f)（模塊金屬 底板到散熱器的熱阻） Tj_IGBT Tc P IGBT *Rthjc_IGBT Tj_FWD Tc P FWD *Rthjc_IGBT Tc Tf P tot *Rthcf,熱特性,熱特性（含熱輻射能力）,結(jié)殼熱阻Rth(j-c)（芯片到芯 片正下方金屬底板的熱阻）,Power loss

20、,IGBT,FWD,Solder,Cu foil,Ceramic,Cu foil,Cooling Fin,Base plate,Thermal Grease,Solder,Tj (Junction),Tc (Case),Tf (fin),Rth(j-c),Rth(c-f),熱特性,關(guān)于散熱器安裝表面的具體要求如下： 表面粗糙度應(yīng)控制在10m 以下！在螺釘安裝位 置間，每100mm 的平坦度應(yīng)控制在50m 以下。 使用絲網(wǎng)文件的優(yōu)點(diǎn)： 減小底板到散熱器熱阻 更好地控制硅脂厚度一致性 提高生產(chǎn)效率 注：我們將提供您所需要IGBT型號(hào)的絲網(wǎng)文件以及應(yīng)用指導(dǎo)來(lái)滿(mǎn)足您的生產(chǎn)要求！,安裝及力矩參數(shù),注：規(guī)

21、格書(shū)中給出的安裝力矩是推薦值，并非最大值！,H橋級(jí)聯(lián)的核心 功率單元,功率單元設(shè)計(jì),IGBT 驅(qū)動(dòng)選型 驅(qū)動(dòng)功率 PGate=QG*fsw*V PCge=CGE*fsw* V2 P=PGate+PCge 驅(qū)動(dòng)電流 Imax=V/(Rgstd+Rgint) e.g. 2MBI150VH-170-50 Qg = 0.6 + 1.2 = 1.8uC Pgate = 1.8uC * 3kHz *(10+15) = 0.135W Imax = 25/(5+ 3*4.8) = 1.29A Concept 2SC0108T OK.,功率單元設(shè)計(jì),短路保護(hù)：Vce（sat)檢測(cè) 吸收電路： C型， RCD型

22、鉗位電路： 有源鉗位 Vcepeak TVS管的選擇 門(mén)極鉗位 門(mén)極震蕩，門(mén)極過(guò)電壓,功率單元設(shè)計(jì),Rg的選擇 開(kāi)通關(guān)斷速度 損耗 電壓電流尖峰 當(dāng)減小柵極電阻的阻值時(shí)，需要考慮的是當(dāng)大電流被過(guò)快地切換時(shí)所產(chǎn)生的 di/dt。這時(shí)由于電路中存在雜散電感，它在 IGBT 上產(chǎn)生高的電壓尖峰，Vcep = Vdc+Ls(di/dt)。 此外， 也會(huì)造成FWD反向恢復(fù)電壓尖峰Vakp過(guò)大。 死區(qū)時(shí)間 EMI FWD反向恢復(fù)dv/dt過(guò)大會(huì)對(duì)門(mén)級(jí)產(chǎn)生干擾 門(mén)極震蕩 規(guī)格書(shū)標(biāo)準(zhǔn)值是實(shí)際應(yīng)用的Rg下限，是在假設(shè)理想的驅(qū)動(dòng)條件下，使開(kāi)關(guān)損耗最小的驅(qū)動(dòng)電阻。 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，對(duì)于高壓變頻行業(yè) 建議從開(kāi)通： 35倍 ； 關(guān)斷： 23倍開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試。最終以實(shí)際測(cè)試后優(yōu)化調(diào)整的結(jié)果為準(zhǔn)。,功率單元設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) IGBT主電路銅排的優(yōu)化設(shè)計(jì)