安世半导体IGBT模块赋能马达驱动应用

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。