ABB采用IGBT7的新一代高功率密度变频器ACS180系列

作者简介

英飞凌集成电路(北京)有限公司：赵佳
北京ABB电气传动系统有限公司:  贾一然，李君峰

变频器是各行业中至关重要的节能设备，ABB传动一直致力于用先进的产品和技术，创新的解决方案为客户创造价值，提高生产效能水平，助力变频器产业升级。

ACS180紧凑型变频器是ABB北京设计的最新一代变频器产品，它体积小巧，使用方便，稳定可靠，应用广泛，具有很高的性价比，是各种紧凑型设备的可靠之选。

ACS180 400V电压等级的R0至R2框架均使用了来自英飞凌的IGBT7技术。以ACS180-04x-17A0-4型号为例，得益于新技术的应用，其功率密度再上一个台阶。

ACS180-04x-17A0-4变频器主要参数

变频器尺寸: 202mm(高度)x120mm(宽度)x143mm(深度)，大大低于友商同功率的同类产品。

额定电流IN=17.0A(连续输出时的额定电流)；
PId=7.5kW，ILD=16.2A(每10分钟可承受1分钟110%过载) ；
Phd=5.5kW，IHD=12.6A(每10分钟可承受1分钟150%过载)；
Imax=22.7A (启动时可输出2秒钟)。

用做5.5kW重载应用时，工作的环境温度为50℃以下无需降额, 90%额定电流可运行在60℃。且内部集成满足IEC61800-3（可调速电力驱动系统.第3部分:电磁兼容性(EMC)要求和特定试验法）的C3等级的EMC滤波器。

ACS180是如何做到“小身材，大能量”的呢？这得益于不断发展的IGBT技术。

IGBT是变频器实现电能转换的核心元件，它仿佛一双强有力的手，控制着电流的开通，和关断。如果这双手臂力气大，消耗少，无疑将会大大减小变频器的体积，增加变频器的效率。

此款ACS180采用的IGBT是FP25R12W1T7，这是一款1200V/25A的IGBT模块，芯片采用的是英飞凌最新一代IGBT7技术。与目前市场上主流的IGBT4技术不同，IGBT7采用更加精细化的MPT微沟槽栅技术，沟道密度更高，芯片厚度更薄，元胞结构及间距也经过精心设计，并且优化了寄生电容参数，从而实现5kv/us下的最佳开关性能。

在现代功率半导体器件中，提高开关速度、开关频率和功率密度是大势所趋。然而，由于不同具体应用对器件性能需求有差异。就电机驱动应用特性而言，由于电机和电缆的固有隔离，开关斜率（dv/dt）通常被限制在2-10kV/μs的范围内，典型目标为5kV/μs。此外，用户采用的典型开关频率（fSW）也低于8kHz。这意味着，对电机驱动而言，降低静态损耗成为了功率半导体的发展重点，快速开关和高开关频率需求的重要性有所减弱，开关损耗变得次要了。针对上述需求，IGBT7进行了精心的优化。主要体现在：

01 更低损耗

因为更薄的芯片厚度和优化的载流子分布，IGBT大幅降低了器件的损耗，饱和压降相比IGBT4降低了20%，例如FP25R12W2T7的Vce(sat)@25℃仅有1.6V，同时关断损耗仍旧与IGBT4维持在同一个水平。如下图所示，T7相比前代器件而言，其折衷曲线进一步逼近理想原点。

02 可调dv/dt

不同于IGBT4等主流器件，IGBT7里的沟槽有多种形式：其中最常见的是作为有源栅极使用。其次，MPT结构还能够实现发射极沟槽和伪栅极，两者都是无效沟槽。这三种沟槽的数量决定了IGBT7的可控性，使得开通和关断的dv/dt在很大范围内都可以通过门极电阻进行调节，并且在变频器典型dv/dt范围内（2-10kV/μs），实现最低的损耗。

03 175°C最大工作结温

基于优化功率模块设计，IGBT7将暂态的最高允许结温（Tj）提高至175°C时，比IGBT4提高了25℃,能够满足实际应用的过载运行需求。过载工况定义如下：

• 持续工作结温 Tj ≤ 150 °C
• 重复过载结温 Tj ≤ 175 °C ，过载时间 t1 ≤ 60 s
• 过载占空比 D=t1/T ≤ 20%

由此我们可以看到，IGBT7能给变频器带来如下益处：

提升逆变器的输出电流

IGBT7极低的饱和导通电压，意味着使用相同规格的IGBT4与IGBT7时，使用IGBT7的逆变器损耗更低，从而能输出更大的电流；或者采用比IGBT4模块规格更小的IGBT7模块，使逆变器输出相同的电流。

如下图所示，25A Easy2B的IGBT7可以比25A Easy2B的IGBT4提升35%的输出电流，而25A Easy1B的IGBT7也可以比25A Easy2B的IGBT4提升16%的输出电流。

提升逆变器的功率密度

IGBT7的损耗低，结温高（过载结温最高175℃），因此可以大大的减少散热器的尺寸。以典型条件的对比，25A Easy2B的IGBT7能够比25A Easy2B的IGBT4减小40%的散热器体积。

从穿通型IGBT到场截止型IGBT，从平面栅到沟槽栅，又从沟槽栅到精细化沟槽栅，一代又一代不断优化 IGBT助力变频器实现更低功耗与更小体积，追求低碳高效的路上我们从不停歇，让我们同生活，共未来。