作者@@：
张姗姗@@ IGBT产品@@市场经理@@
Jinsheng Song IGBT产品@@市场总监@@
近年来@@，我国年工业@@生产总值不断提高@@@@，但能耗比却居高不下@@，高能耗比已成为制约我国经济发展的@@瓶颈@@，为此国家投入大量资金支持节能降耗@@项目@@，变频调速技术@@已越来越广泛的@@应用在@@各行各业@@，它不仅可以改善工艺@@，延长设备@@使用寿命@@，提高@@工作效率等@@，最重要的@@是@@它可以@@“节能降耗@@”，这一点已被广大用户所认可@@，且深受关注@@。预计未来几年@@，具有高效@@节能功效的@@变频器@@市场将受政策驱动持续增长@@。
自推出以来@@，绝缘栅双极晶体管@@（IGBT）由于其高电压@@、大电流@@、低@@损耗@@等优势@@特点@@，被广泛应用于马达驱动@@@@，光伏@@，UPS，储能@@，汽车@@ 等领域@@。随着全球对可再生能源的@@日益关注以及对效率的@@需求@@，高效@@率@@，高可靠性成为功率@@电子@@产业不断前行的@@关键@@。Nexperia（安世半导体@@）的@@ IGBT 产品@@系列优化了开关损耗@@@@和@@导通损耗@@@@, 兼顾马达驱动@@需求的@@高温@@短路耐受能力@@@@，实现更高的@@电流密度和@@系统可靠性@@。
变频器@@
变频器@@由于@@“节能降耗@@”等优势@@，广泛的@@使用在@@电机驱动的@@各个领域@@。让我们先来走进变频器@@@@，看看变频器@@的@@典型电路@@。
“交@@—直@@—交@@”电路是@@典型的@@变频器@@拓扑电路@@，基于该拓扑结构的@@变频器@@主要由整流@@（交@@流变直@@流@@）、滤波@@、逆变@@（直@@流变交@@流@@）、制动单元@@、驱动单元@@、检测单元@@、微处理单元等组成@@。变频器@@靠@@ IGBT 的@@开关来调整输出电源的@@电压和@@频率@@，根据电机的@@实际需要@@，来提供其所需要的@@电源电压@@，进而@@达到节能@@、调速的@@目的@@@@。另外@@，变频器@@还有很多的@@保护功能@@，如过流@@、过压@@、过载保护等等@@。随着工业@@自动化程度的@@不断提高@@@@，变频器@@广泛的@@应用在@@纺织@@，港口@@，化工@@，石油@@，工程机械@@，物流等各类应用场景@@。
图@@1 典型的@@马达驱动@@变频器@@的@@应用框图@@@@
变频节能@@
传统用工频@@（50Hz）电源直@@接驱动时@@的@@风量或@@水量调节方式落后@@。风机@@、泵类调节大部分仍采用阀门机械节流方式@@（调节入口或@@出口的@@挡板@@、阀门开度等降低@@风量或@@水量@@）。由于电机以恒定速度运行@@，因此即使降低@@风量和@@水量@@，耗电量也几乎不会下降@@，且大量的@@能源消耗在@@挡板@@、阀门的@@截流过程中@@。容易产生能源的@@浪费@@。
风机@@、泵类当使用变频调速时@@@@，如果流量@@要求减小@@，通过降低@@泵或@@风机@@的@@转速即可满足要求@@。随着转速的@@降低@@@@，所需转矩以平方的@@比例下降@@。输出的@@功率@@也就成立方关系下降@@。 即可以实现大规模的@@降低@@输出功率@@@@，降低@@耗电量@@。
风扇@@、风机@@、泵为代表的@@降转矩负载来说@@，随着转速的@@降低@@@@，所需转矩以平方的@@比例下降@@。而@@根据流体力学@@，功率@@=压力@@×流量@@，流量@@和@@转速的@@一次方是@@成正比的@@@@，压力@@与转速的@@平方是@@成正比的@@@@，功率@@和@@转速的@@立方成正比@@，如果说水泵效率固定的@@话@@，当调节流量@@下降时@@@@，转速就会成比例下降@@，输出的@@功率@@也就成立方关系下降@@，所以说@@，水泵的@@转速与电机耗电功率@@是@@近似立方比关系@@。
马达驱动@@的@@短路能力@@@@
工业@@环境中的@@短路工业@@电机驱动器的@@工作环境相对恶劣@@，可能出现高温@@@@、交@@流线路瞬变@@、机械过载@@、接线错误以及其它突发情况@@。其中@@有些事件可能会导致较大的@@电流流入电机驱动器的@@功率@@电路中@@。
图@@2 IGBT 典型的@@短路情况@@
图@@2显示了三种典型的@@短路事件@@。它们是@@@@：
1. 逆变@@器直@@通@@。这可能是@@由于不正确开启其中@@一条逆变@@器桥臂的@@两个@@IGBT所导致的@@@@，而@@这种情况有可能是@@因为遭受了电磁干扰或@@控制器故障@@，也可能是@@因为臂上的@@其中@@一个@@ IGBT 故障导致的@@@@。
2. 相对相短路@@。这可能是@@因为性能下降@@、温度过高或@@过压@@事件@@ 导致电机绕组之间发生绝缘击穿所引起的@@@@。
3. 相线对地短路@@。这同样可能是@@因为性能下降@@、温度过高或@@过压@@事件@@导致电机绕组和@@电机外壳之间发生绝缘击穿所引起的@@@@。
一般而@@言@@，电机可在@@相对较长的@@时@@间内@@（如毫秒到秒@@，具体取决于@@ 电机尺寸@@和@@类型@@）吸收极高的@@电流@@，这对于应用在@@马达驱动@@上的@@@@ IGBT 提出了高温@@短路耐受能力@@的@@要求@@。
IGBT 在@@极限工况需要满足短路耐受的@@能力@@，Nexperia 的@@IGBT模块可实现高温@@@@150°C 10us 的@@短路能力@@。如图@@@@3 IGBT 开关损耗@@@@、通态压降和@@可靠性的@@三者的@@折中关系@@。Nexperia 的@@ IGBT 采用沟槽栅场终止技术@@@@，针对马达驱动@@的@@应用优化了@@ Vcesat 导通损耗@@和@@开关损耗@@@@的@@性能@@，同时@@满足高温@@@@150°C 10us 的@@短路能力@@。
图@@3 IGBT 开关损耗@@@@、通态压降和@@可靠性的@@三者关系@@
IGBT模块的@@静态特性@@和@@动态性能对比@@@@
导通损耗@@是@@整体损耗@@的@@重要组成部分@@，我们选取了在@@市场上广泛应用的@@不同厂商@@ABCD产品@@作为对照@@，在@@同样的@@条件如高温@@@@150°C，VGE=15V 时@@，从图@@@@4的@@对比@@@@，我们可以读出在@@额定电流@@@@@@100A条件下@@，竞品@@A,B,C,D的@@ Vcesat的@@饱和@@压降@@分别为@@@@2.49V, 2.41V, 2.52V, 3V。红色的@@是@@安世@@ IGBT 产品@@NP100T12P2T3的@@饱和@@压降@@，Vcesat 仅为@@2.27V，在@@高温@@下@@，和@@竞品@@@@ABCD相比@@，Vcesat 分别降低@@了@@10%，6%，11%，32%。极大的@@降低@@@@ IGBT 的@@静态损耗@@@@。Nexperia 的@@ IGBT模块表现出了优异的@@低@@@@ Vcesat 饱和@@压降的@@特性@@。
图@@4 IGBT模块在@@@@ 150°C 的@@ 静态特性@@（Ic-Vcesat )
IGBT模块的@@动态性能对比@@@@
同样马达驱动@@的@@应用中对开关损耗@@@@尤为关注@@，我们选取了在@@市场上广泛应用的@@不同厂商@@ ABCD 产品@@作为对照@@，对比@@Nexperia IGBT 产品@@ NP100T12P2T3 在@@不同电流下的@@开通损耗@@和@@关断损耗@@的@@和@@值@@ Etot ( Eon+Eoff)，如图@@@@ 5所示@@ 在@@ 结温@@150°C 的@@对比@@@@，红色的@@曲线是@@安世@@ IGBT 产品@@ NP100T12P2T3，在@@额定电流@@@@100A的@@条件下@@@@，竞品@@ A，B，C，D，开关损耗@@@@和@@值@@ Etot 分别为@@25.84mJ，24.52mJ，24.33mJ，29.19mJ，而@@Nexperia产品@@的@@开关损耗@@@@和@@值@@@@ Etot 仅为@@23.64mJ。在@@高温@@下@@，和@@竞品@@@@ABCD相比@@，开关损耗@@@@和@@值@@ Etot 分别降低@@了@@9%，4%，3%，23%，极大地降低@@@@ IGBT 在@@高开关频率下的@@功率@@损耗@@@@。
图@@ 5 IGBT模块在@@@@ 150°C 的@@ 开关特性@@（Eon+Eoff）
IGBT的@@折中曲线@@
图@@6是@@在@@常温@@25°C 和@@高温@@@@150°C 时@@的@@开关损耗@@@@@@Etot和@@导通压降@@ Vcesat 的@@折中关系对比@@@@。IGBT工作在@@大电流@@高电压@@，高温@@150°C的@@折中曲线@@备@@受客户的@@关注@@。如图@@@@6所示@@，横坐标代表的@@是@@导通压降@@ Vcesat ，纵坐标代表的@@是@@开关损耗@@@@@@ Etot 越接近原点@@，意外着损耗@@越低@@@@，可以看出@@，Nexperia IGBT产品@@的@@开关损耗@@@@和@@饱和@@压降都明显小于竞品@@@@ ABCD 。
图@@ 6 IGBT模块在@@@@25°C 和@@ 150°C 的@@折中曲线@@（ Vcesat-Etot ）
马达驱动@@的@@损耗@@计算@@
为了更接近客户的@@实际的@@应用情况@@，如图@@@@7是@@IGBT模块在@@@@典型的@@马达驱动@@的@@损耗@@对比@@@@，其中@@ Vcesat ， VF的@@数据来源于同一测试平台下的@@实测数据@@，开关损耗@@@@ Eon+Eoff 是@@基于同一双脉冲测试平台在@@高温@@@@150°C 额定电流@@ 100A 的@@条件下@@@@的@@测试数据@@，仿真模拟的@@是@@工业@@马达连续运行的@@工况@@，系统工作于母线电压@@Vdc=600V，有效值电流@@ Irms=50A ，门级电阻@@Rgate=1.5Ω， 载波频率@@ fsw=10KHz，调制比@@ m=0.8, 电机功率@@因数@@ cosφ=0.8， 输出频率@@fout=50Hz。
仿真损耗@@的@@计算结果如下@@，在@@典型变频器@@驱动器应用条件下@@@@，Nexperia NP100T12P2T3 的@@ IGBT 产品@@, 其开关损耗@@@@和@@导通损耗@@均小于竞品@@@@ ABCD ，总功率@@损耗@@降低@@@@5%~24%。Nexperia 的@@ IGBT 产品@@整体降低@@了功率@@损耗@@@@，提升了变频器@@的@@系统效率@@。
图@@ 7 IGBT 模块在@@@@典型的@@马达驱动@@应用条件的@@@@ Ploss 损耗@@
热仿真@@
从热仿真@@上可以直@@观的@@看到节温的@@分布@@，如图@@@@8所示@@。对比@@安世半导体@@和@@竞品@@@@@@ A 马达驱动@@应用做热仿真@@@@，Nexperia 的@@ IGBT 最高节温@@ Tjmax 会是@@@@116°C, 竞品@@的@@最高节温@@@@ Tjmax 是@@119°C，比竞品@@@@ A 低@@3°C。
图@@8 马达驱动@@应用中热仿真@@@@
布局设计@@
产品@@的@@布局设计@@也非常关键@@，通过精巧的@@布局设计@@与仿真对比@@@@，增加布线宽度@@，减小换流路径长度@@，增加换流路径重合度及磁场相消@@，来达到最大程度的@@降低@@寄生电感的@@目的@@@@。
在@@ IGBT 关断的@@过程中@@，IGBT 的@@电流下降产生较大的@@@@ di/dt, 由于回路中存在@@杂散电感@@，在@@IGBT 的@@上叠加反向电动势@@，delta V=L*di/dt。 产生较大的@@电压尖峰@@，由于优化了线路中的@@杂散电感@@，从而@@最终使得关断时@@的@@电压尖峰尽可能小@@。减少关断时@@候时@@的@@电压过冲@@。
小结@@
基于前面的@@讨论@@，安世半导体@@的@@@@ IGBT 模块优化了开通损耗@@和@@导通损耗@@@@，同时@@兼顾高温@@下的@@短路能力@@@@，实现更高电流密度和@@更好的@@可靠性@@，降低@@了整体的@@损耗@@且提高@@了系统的@@效率@@。同时@@设计通过精巧的@@布局@@，增加减小换流路径长度@@@@，增加换流路径重合度及磁场相消@@，来达到最大程度的@@降低@@寄生电感的@@目的@@@@，模块的@@最高工作运行节温达到@@150°C ，满足马达驱动@@的@@高温@@@@150°C 短路耐受能力@@。
Nexperia (安世半导体@@)
Nexperia（安世半导体@@）总部位于荷兰@@，是@@一家在@@欧洲拥有丰富悠久发展历史的@@全球性半导体公司@@，目前在@@欧洲@@、亚洲和@@美国共有@@15,000多名员工@@。作为基础半导体器件开发和@@生产的@@领跑者@@，Nexperia（安世半导体@@）的@@器件被广泛应用于汽车@@@@、工业@@、移动和@@消费等多个应用领域@@，几乎为世界上所有电子@@设计的@@基本功能提供支持@@。
Nexperia（安世半导体@@）为全球客户提供服务@@，每年的@@产品@@出货量超过@@1,000亿件@@。这些产品@@在@@效率@@（如工艺@@、尺寸@@、功率@@及性能@@）方面成为行业基准@@，获得广泛认可@@。Nexperia（安世半导体@@）拥有丰富的@@@@IP产品@@组合和@@持续扩充的@@产品@@范围@@，并获得了@@IATF 16949、ISO 9001、ISO 14001和@@ISO 45001标准认证@@，充分体现了公司对于创新@@、高效@@、可持续发展和@@满足行业严苛要求的@@坚定承诺@@。