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1、用于高压变频器的V系列IGBT,我国发电量的6070左右用于推动电动机做功，其中90的电机是交流电机，大部分为40040000Kw，310Kv的大功率高压交流电动机。由于采用直接恒速拖动，每年造成大量的能源浪费。占工业用电30以上的各种风机、泵类负载，工况变化较大，如采用交流调速技术实现变速运行，节能效果明显。以平均节电20计算，对全国来说年节电500亿度，同时可以相应减少2000万吨发电用煤，50万吨二氧化硫和1200万吨二氧化碳的排放。e.g.一个 60 万千瓦电厂包括风机、水泵在内，一共有 20台辅机，其中 13台可以应用高压变频。一座高炉需配备风机、水泵、冲渣泵等 10 台，都可配备高
2、压变频器。一条 5000吨/天 的水泥生产线，包括风机、磨煤机在内，共需 11台辅机，都可配备变频器。,高压变频器,高压变频器结构,采用IGCT/SGCT的电流源型,电流源型 AB公司优点：易于控制电流，便于实现能量回馈和四象限运行容易实现旁路控制功能，在装置出现故障时不影响电网运行结构简单，使用的功率器件少，使驱动和吸收电路简化缺点：变频器的性能与电机的参数有关，不易实现多电机联动，通用性差电流的谐波成分大，污染和损耗较大,高压变频器结构,二极管箝位式三电平型,三电平电压源型 S公司，A公司优点：结构简单、体积小、成本低，使用功率器件数量最少（12只）避免了器件的串联，提高了装置的可靠性缺点
3、：高次谐波对电网造成污染电动机的功率因数和效率低。随着转速的下降，功率因数和效率都会相应降低,高压变频器结构,H桥级联型 R公司，完美无谐波优点：采用技术成熟、价格低廉的低压IGBT组成逆变单元，通过串联单元的个数适应不同的输出电压要求完美的输入输出波形，使其能适应任何场合及电机使用由于多功率单元具有相同的结构和参数，便于将功率单元做成模块化无需外加滤波器即可满足各国供电部门对谐波的严格要求输入功率因数可达0.95以上，总体效率高达97%。缺点：使用的功率单元及功率器件数量较多，装置的体积较大实现能量回馈和四象限运行困难，且成本较高当电网电压和电机电压不同时，无法实现旁路切换控制,H桥级联结构
4、,高压变频发展方向,高性能同步机及四象限能量回馈 高压变频器可以细分为通用型高压变频器和高性能（牵引型）高压变频器。高性能变频器可以实现精密控制和四象限能量回馈。高性能变频器的调速需求大于节能需求。通用型高压变频器国内已基本实现替代进口，但高性能高压变频器目前国内使用的基本为进口产品。以2000kw的高性能矿井提升机用高压变频器为例。售价可达1000万，单价高达 5000元/kw，而通用变频器目前基本为 500元/kw。高性能变频器单价是通用型的 10倍。目前，矿井提升机每年市场需求在 50套，金额在 4.57.5亿左右。加上井下变频器的市场，煤炭行业是高压变频器新的蓝海。我们预计随着煤炭行业
5、的进一步整合，实力雄厚的能源集团将更有能力与意愿投资变频器，矿井提升机用变频器未来每年的规模超过 20亿元。,高压,SVG行业合作伙伴,IGBT的历史,IGBT芯片构造的变迁,平面型,沟槽栅型,Field-Stop,NPT,PT-Epi,IGBT芯片尺寸的比较,18%/5yDie size reduction,IGBT模块构造的变迁,PIM-C,E+,Solder-free terminal,EVK-series,-series,Econo Package,Press fit pin,pin,Spring,Econo Package(RoHS,Solder-free terminal),Pri
6、mary screw PKG,Standard screw type Primary solder PKG,European thinner&compact PKG,Compact/Environment/solder-free PKG,2nd Gen.(L/F-series)Y1990,3rd Gen.(N-series)Y1995,45th Gen.(S,U-series)Y19982005,6th Gen.(V-series)Y2008,工业用模块的应用分布,HPM 3300V800-1500A(under dev.),DualXT,EP+Standard 30mm-H,EPXT,PCX
7、T,IPMEasy1/2B&Smart(plan),HPM1200V 600-3600A1700V 600-3600A,PrimePACKTM1200V 600-1400A1700V 650-1400A,PrimePACKTM is registerd trademarks of Infineon Technology AG,Germany,V系列的基本概念,1 更高的性能2 更方便使用,采用V系列芯片，进一步降低通态压降VON 和关断损耗Eoff采用高导热DCB基板，改善芯片布局，进一步降低热阻提高最大结温，Tj(max)=175oC175oC UL 認定 E82988,更便于设计高损坏耐受
8、量，小型化低干扰,低浪涌电压,软关断,高可靠性，标准封装等更便于组装 免焊接模块的系列化;螺旋弹簧式和压接式,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：软关断,Conventional,CH1 VCE:200V/divCH2 IC:25A/divCH3 VGE:20V/div,VDC=900V,2xIcIntentionally large L-stray,V-IGBT,V系列：更好的Rg
9、可控性,Trench-A,100ns,7.7W,40W,-B,V,V,通过外接门极Rg，更好地控制开通速度改善了dv/dt和开通损耗的折中特性，实现了低损耗和低干扰,门极电阻可控性,随着低损耗需求的增大，IGBT的开关速度越来越快。但是，开关速度变快后，由于电流、电压的变化将产生EMI干扰。特别是开通特性，对EMI干扰的影响很大。因此，在EMI干扰问题尚未解决的情况下，需要使开通时的电流、电压缓慢变化（软开通）。因此，必须通过门极电阻Rg来调整开通时的电流、电压变化率。第六代V系列IGBT产品，通过门极电阻Rg可以轻松地控制开通速度。下图显示了在1/10的额定电流下，改变Rg时的开通开关波形。
10、该图还显示了其对称支路的FWD电压变化。如图，通过改变门极电阻，使开通产生的反向恢复dv/dt发生极大的变化。因此，在V-IGBT中可通过门极电阻Rg轻松地控制电流、电压变化率。在设计时，通过选择合适的门极电阻Rg，可以得到最佳的EMI干扰和开关损耗的折衷特性。,EMI特性改善,在通过Rg改善开通速度可控性的同时，要注意EMI干扰与开通损耗的折衷关系。下图：作为EMI干扰主要原因的反向恢复dv/dt和开通损耗之间的关系。与U系列IGBT产品相比，在同样的反向恢复dv/dt下，V系列IGBT的开通损耗较小。结论：与U-IGBT产品相比，V-IGBT的反向恢复dv/dt与开通损耗间的折衷关系得到了
11、改善。V系列IGBT模块同时实现了低损耗和低干扰。,V系列：低浪涌电压,VDC=600V,800V,900V,1000V,X4,V,Vpeak=784V,Vpeak=768VD16V,1020V,964VD56V,1168V,1060VD108V,1252V,1152VD100V,VDC900V时的浪涌电压降低100V以上,V系列：浪涌电压对Rg的依赖性,浪涌电压对门极电阻Rg的依赖性是有峰值的。,测试条件：Vge=15V,Vcc=900V,Ic=600A,Tj=RTRgoff=2.2,2MBI1000VXB-170-50,V系列：低热阻封装（优化布局）,以前的封装,V系列封装,Hotspot
12、s,低热阻均温分布避免热量过于集中以前：IGBT-IGBT（发热源集中）V-PKG：IGBT-FWD-IGBT（发热源分散）芯片分布到DBC的外周 加速热循环（新无铅焊锡）,Example of EP2,3XT V-PIM,提高功率循环寿命,Copper base plate,(c),(b),(a),Mode 1:热应力(a)热机械应力导致焊锡结合处产生裂缝(b)铝线脱落（芯片部分）Mole 2:机械损坏(c)铝线脱落(端子部分）Mode 3:腐蚀(d)铜箔之间的绝缘受损,(d),DCB substrate,Case,Power chip(IGBT/FWD),Al-bond wire,Tj P
13、ower cycle,Tc Power cycle,Tc功率循环寿命比较,Candidate idea;tbd.in future,40 50 60 70 80 90,富士(标准模块）,DTc 功率循环寿命:16,000cy at 80deg.C,I社 标准模块(Cu),Al2O3+Cu 底板,Al2O3+Cu,富士 New 2in1,I社品（富士試験）,DTc(oC),I社 PrimePACK,富士模块具有更高的可靠性。,Data from Infineon website 1200V IGBT4-High Power-a new Technology Generation(ed_pcim0
14、6_1200V IGBT4-High Power-a new Technology Generation.pdf),富士 Tjmin=25oC,富士 Tjmax=150oC,Fuji Experimental results,not official guarantee,Tj功率循环寿命比较,富士模块具有更高的可靠性。,Test conditions;-40oC(1HR)RT(0.5H)125oC(1H),300 cycles后,一般的无铅焊锡,富士使用的无铅焊锡,焊锡裂缝,Candidate idea;tbd.in future,规格书概略,例子：1200V/200A 2in1 模块,绝对最
15、大值,一般电气特性,热特性,特性曲线,外形尺寸,规格书概略-绝对最大值,绝对不允许超出的数值,由于门极采用MOS结构，易受静电击穿；因此需要采取必要的防静电措施。注：门极防静电能力小于1kV。千万不能在无任何,防静电措施下用手触摸门极。允许的最大连续电流允许的最大损耗值=(Tjmax-25)/Rthjc_IGBT允许的最高结温（工作结温往往推荐25降额）推荐安装力矩，并非最大值陶瓷基板提供绝缘能力，将底板和芯片进行隔离不要使用跌落后的模块（陶瓷基板可能碎裂从而导致电击的危险）,规格书概略-一般电气特性,注：关注不同结温下电气特性中的最小、最大值,IGBT开通的最小门槛值,如果电路误动作，门极电
16、压超过VGE(th)，IGBT将会误开通规格书曲线读取QG来计算驱动电路功率，输入电容(Cies)随着Vce不同而改变规格书中的Rg值是测试驱动电阻值。对于大电流模块，使用标称电阻值容易产生高浪涌电压注：标 称 驱 动 电 阻 值 不 是 厂 家 驱动推荐值,导通压降用来计算导通损耗。,关断和开通延时用来设定死区时间,IGBT-电流参数,标称电流（Ic）2MBI200VH-120-50富士Tjmax标称电流在Tc=100时定义，Tc=25电流大小可以作为一个参考值Tjmax Tc(Vce(sat)max Tjmax*Ic*Rthjc)注：标称值仅仅代表IGBT在一定壳温下允许的直流电流能力，可
17、以作为选择IGBT的参考，但最终 选择取决于实际工作条件和散热条件！,脉冲电流（Ic_pulse）Ic_pulse定义为Tc=100时，允许重复的开通脉冲电流，一般是模块标称值的两倍！Tj Tc P tot*Rthjc Tjmax注：1ms仅仅是测试条件，实际允许的脉冲宽度和脉冲电流值取决于热！,Collector current,IGBT-电压参数,Vces_terminal,didt,Vces_chip L*,阻断电压（Vces）,RBSOA,Vces定义是IGBT芯片不能超过的电压值，考虑模块内部的杂散电感，模块端子电压需要做降额考虑！,注：Vces在任何条件下都不能超过限值，否则模块很
18、容易损坏！,Static Voltage is limited by absolute maximum rating.,Static Voltage Dynamic VoltageDynamic Voltage is limited by RBSOA,SCSOA,IGBT-电压参数,饱和压降（Vce(sat)）Vce(sat)描述的是 是IGBT芯片在一定条件（Vge=15V，Ic=标称值）下的电压降，分别给出在 Tj=25，Tj=125，Tj=150的电压值。交越点之上为正温度系数，有利于模块并联应用。因此交越点越低越好！,交越点,Temperature rise,IGBT-开关参数,ton
19、:0Vge到10Vce的时间tr:10Ic到10Vce的时间tr(i):10Ic到90Ic的时间,toff:90Vge到10Ic的时间tf:90Ic到10Ic的时间,16,注：富士ton一般比竞争对手大，这是因为富士和竞争对手的定义差异导致ton大小差异，富士的定义多包含了90Ic到10Vce的时间，如上图阴影所示；,Rg：门极串联电阻，分为Rgint 和Rgext两部分。主要用来 控制开通和关断的速度。Qg：为了使IGBT开通，G-E间的 充电电荷量。Cge_ext：外置门极电容，用来控制门极 开通速度，抑制门极电压振荡。Eon,Eoff：开通损耗和关断损耗。ton,tr,toff,tr(i
20、)：IGBT开通，上升，关断，下降时间。（主要用来 决定死区时间。）,FWD参数,*,Err Err_Ic*,P sw_FWD fsw*Err,VdcVdc_nom,Err_RgextErr_Rgstd,正向压降（VF)）VF描述的是FWD芯片在一定条件下（Vge=0V，If=标称值）下的电压降，分别给出在Tj=25，Tj=125，Tj=150的电压值。Tjmax Tc(VFmax Tjmax*IF*Rthjc)反向恢复损耗（Err）,壳散热器热阻(Rthc-f)（模块金属底板到散热器的热阻）Tj_IGBT Tc P IGBT*Rthjc_IGBTTj_FWD Tc P FWD*Rthjc_I
21、GBTTc Tf P tot*Rthcf,热特性,热特性（含热辐射能力）,结壳热阻Rth(j-c)（芯片到芯片正下方金属底板的热阻）,Power loss,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),热特性,关于散热器安装表面的具体要求如下：表面粗糙度应控制在10m 以下！在螺钉安装位置间，每100mm 的平坦度应控制在50m 以下。使用丝网文件的优点：减小底板到散热器热阻
22、更好地控制硅脂厚度一致性 提高生产效率注：我们将提供您所需要IGBT型号的丝网文件以及应用指导来满足您的生产要求！,安装及力矩参数,注：规格书中给出的安装力矩是推荐值，并非最大值！,H桥级联的核心 功率单元,功率单元设计,IGBT 驱动选型驱动功率PGate=QG*fsw*VPCge=CGE*fsw*V2P=PGate+PCge驱动电流Imax=V/(Rgstd+Rgint)e.g.2MBI150VH-170-50Qg=0.6+1.2=1.8uCPgate=1.8uC*3kHz*(10+15)=0.135WImax=25/(5+3*4.8)=1.29A Concept 2SC0108T OK.
23、,功率单元设计,短路保护：Vce（sat)检测吸收电路：C型，RCD型钳位电路：有源钳位 Vcepeak TVS管的选择门极钳位门极震荡，门极过电压,功率单元设计,Rg的选择开通关断速度损耗电压电流尖峰当减小栅极电阻的阻值时，需要考虑的是当大电流被过快地切换时所产生的 di/dt。这时由于电路中存在杂散电感，它在 IGBT 上产生高的电压尖峰，Vcep=Vdc+Ls(di/dt)。此外，也会造成FWD反向恢复电压尖峰Vakp过大。死区时间EMIFWD反向恢复dv/dt过大会对门级产生干扰门极震荡规格书标准值是实际应用的Rg下限，是在假设理想的驱动条件下，使开关损耗最小的驱动电阻。实际应用时，对
24、于高压变频行业建议从开通：35倍；关断：23倍开始进行测试。最终以实际测试后优化调整的结果为准。,功率单元设计,结构设计IGBT主电路铜排的优化设计，以减小直流回路杂散电感，优化吸收电路 叠层铜排。尽量做到100nH以下。减小环路面积 1cm2=10nH,功率单元设计,热设计IGBT 在各种运行工况下的结温需结合 IGBT模块总功耗、散热器尺寸和冷却风机的类型及流量进行周密计算，在试运行期间尚需进行全面测试，以确保所选散热器和冷却风机流量满足要求。散热方案-热管？水冷？电磁设计FWD反向恢复dv/dt对门级的干扰。在门极-发射极间外加电容 CGE 的方法，是将误触发电流通过该 CGE旁路，从而
25、减少流过门极电阻的电流。由于在门极驱动时，需要对该电容进行充电，所以外加 CGE会降低开关速度。因此，如果仅外加 CGE，开关损耗会变大。但是，即使在外加 CGE 的情况下，也可通过降低门极电阻适当地控制开关速度。也就是说、如果在外加CGE的同时减小门极电阻，那么在不增大开关损耗的前提下避免误触发是可能的。另外，推荐将记录在规格书上的 Cies的 1 倍左右的电容外加在模块门极和发射极之间，同时，将门极电阻Rg 设为外加CGE 前的一半左右。详细特性请参照各系列产品的专业数据。,温升的测试,RG的选型,用于高压变频器的V系列IGBT,功率单元的核心开关器件-IGBT可靠性500RMB/kW?成本控制同品牌全系列覆盖替换性，兼容性供货保障,高压变频器价格趋势,V-IGBT 替换性索引,V-IGBT Selection Map 10kV,Vces 2Vdc;Ic 23Io;Tjop 150,V-IGBT Selection Map 6kV,Vces 2Vdc;Ic 23Io;Tjop 150,IGBT Driver Solutions,特性比较,特性比较,特性比较,
