论文|1200V IGBT7和Emcon7可控性更佳,助力提升变频器系统性能(下)

发哥 发表于 2019-03-09 16:40:20 收藏 已收藏
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论文|1200V IGBT7和Emcon7可控性更佳,助力提升变频器系统性能(下)

发哥 发表于 2019-03-09 16:40:20

上一节《论文|1200V IGBT7和Emcon7可控性更佳,助力提升变频器系统性能(上)》中,我们剖析了IGBT7以及Emcon7的芯片技术特点及设计思路,今天我们对比IGBT7与IGBT4功率模块的性能,看一下在系统层面,IGBT7性能究竟有多高的提升

IGBT4和IGBT7功率模块的性能比较

本节中,我们将利用IGBT7和Emcon7研究功率模块的性能。为此,我们将使用仿真工具(IPOSIM)从逆变器运行角度分析IGBT和二极管的性能。如无另外说明,本部分将重点分析无铜基板功率模块,即Easy1BEasy2B仿真过程中,参考以下输入参数:开关频率fSW、输出频率fo、环境温度TA、调制因子以及功率因素cosφ)。除此之外,还利用诸如散热器境之间的热阻(RthHA)、IGBT热阻(RthIGBT)和二极管(RthDiode)热阻等系统特定参数来确定输出电流IRMS。如无另外说明,使用下列工作参数(可看作通用电机驱动应用的典型参数):fSW = 2.7kHz, m = 1, fo = 50Hz, TA = 50°C, RthHA = 1.8K/WIGBT和二极管分别使用cosφ= 0.85-0.85

9 相同芯片面积的第四代和第七代技术的IRMSfSW的关系。为便于计算,TJ,max= 150 °C。大图参考芯片面积为75-A IGBT4/EC4 ,插图参考芯片面积为25-A IGBT4/EC4

9比较了TJ,max = 150 °C时,芯片尺寸相同的IGBT7和IGBT4和二极管的对应不同fSW的有效值电流IRMS。为便于参考,使用IGBT4EC4的芯片尺寸为基准IRMSTJ150 °C下允许的最大电流。对于75A等效芯片面积,IGBT7fSW= 0时输出电流IRMS = 56A ,比IGBT420%。随着fSW的增加,IGBT4IGBT7IRMS均下降,IGBT7相对于IGBT4的优势也随之减少。fSW ≈ 12kHz时,可观察到交叉点。在给定工作条件下,只有在fSW高于12kHz时,IGBT4IRMS高于IGBT7。在EC7方面,情况相当。fSW= 0时,EC7IRMS = 46A,比EC4的最大IRMS要高15%二极管的曲线交叉点在fSW ≈ 16kHz。图9的插图显示了25A等效芯片面积下相同的计算方法。数值变化与预期相符,可得出相同的结论。

10 在上述条件下第四代和第七代技术的ΔTJTJIRMS 

10显示75A等效芯片面积下的结温波动VS fSW其计算所得IRMS如图9所示。可以看出,IGBT7ΔTJ明显小于IGBT4EC7EC4也是如此。尽管其差异看似很小,仅为几开尔文,但从功率循环能力的角度来讲,它可为器件寿命带来非常显著的提升。图10的插图显示了IRMS = 30AIGBT和二极管所允许的最大器件温度。这里考虑了IGBT7较高的暂态允许最高结温TJ,max。因此,在TJ,max=150°C的限制下,IGBT4EC4只能在fSW=4kHz工作,而在175°C的最高工作温度限制下,IGBT7EC7则可分别在68kHz下轻松运行。绿、蓝和黑线突出显示了TJ,max对可行的IRMS的影响。IGBT4EC4受到TJ,max=150°C的限制,在fSW=0时,最大IRMS40A,其中EC4是主要限制条件;在IGBT7的限制条件下,IGBT7EC7的暂态工作温度达175°CfSW=0时,IRMS可超过55A。因此,使用相等的芯片尺寸和最大芯片温度,在相同工作条件下,后者输出电流可比前者高出37%以上。

考虑到 IGBT7 EC7 的功率密度更高,图11显示了不同封装中的功率集成模块(PIM)拓扑的额定电流。对于IGBT7,Easy1B, Easy2BEcono2封装的最大额定电流分别为25A50A100A,与IGBT4的Inom相比,Econo2封装的功率密度至少增加33% Easy1B 封装增加66%。图中还特别绘制了PIM拓扑结构的典型IRMSInom,以便说明可能增加的功率密度。基于该曲线,可能的功率密度增加变得更加可视化。

11 PIM拓扑的额定模块电流和最大逆变器输出电流IRMS(典型Inom

然而,模块级别上增加的功率密也许并不会直接给典型应用带来额外优势。可能性最高的方法是实现框架尺寸扩展,即在同一尺寸的逆变器外壳中,实现更高的逆变器额定电流。同时,必须结合考虑与参考模块相比增加的RthHA等参数,来评估是否可以达到目标输出功率。具体地讲,就是在Easy1B 封装中实现25A PIM ,这需要使用典型Easy1B(非Easy2B)的RthHA,达到与Easy2B 25-A PIM相同的输出功率。受逆变器外壳尺寸限制,散热器的最大尺寸也会受限。Easy1B封装的RthHAEasy2B25%左右,这对保证目标功率提出更大的挑战。

12 条形图:IGBT4和IGBT7 IRMS,maxRthHA。线条图:RthHA已知条件下,IGBT4(绿色方块)和IGBT7(黑色方块)运行IRMS,max = 25 38 A (红线和橙线)所需的Inom

12所示条形图,展示了IGBT4和IGBT7最大可能的IRMS,maxRthHA的关系。条型图显示了Inom10-75AIGBT4EC4)和10-100 AIGBT7 EC7)时的PIM拓扑IRMS,maxIRMS,max明显随RthHA的降低而增加。此外,如果TJ,max= 150°C IGBT7EC7可完全取代IGBT4EC4。较高的最大额定电流可直接带来更大的优势,即上文所述的IGBT7的100A和IGBT4的75A

若IGBT7在175°C下运行,则可实现额外优势。如图12右侧所示。红线和橙线分别表示25 A38A IRMS分别所需的最小Inom。要实现 25A IRMS可利用IGBT7 10A PIM,它的RthHA1.5K/W,第四代则须为35A PIMIRMS= 38A时,IGBT7技术的优势更为明显。IGBT7 35A PIM RthHA1K/W,允许在38A IRMS下工作,而第四代则须为75A PIM

结语

本文对IGBT7和Emcon7与IGBT4及Emcon4进行了全面的比较。分析了IGBT和二极管的静态和动态性能。结果表明,与IGBT4相比,IGBT7的静态损耗显著降低,并且动态损耗没有显著增加。总之,IGBT和二极管针对较慢开关的应用进行了优化,其dv/dt2-10kV/μs之间。在动态和静态损耗方面,IGBT7Emcon7可完全替代IGBT4及Emcon4,并在应用过程中带来额外的性能优势。

在功率模块方面,本文围绕功率模块性能和输出功率对IGBT7展开了研究。IGBT7EC7的分析结果显示,在同样的工作条件下,在最大器件温度150°C时,IGBT7可多输出20%的电流。由于IGBT7支持最高结温在175°C时的暂态过载运行,因此输出功率可增加66%。本文基于这些结果,提出两个应用方向:第一,对于给定的电路拓扑结构,根据可行的最大额定电流进行配置,可实现在相同封装尺寸下,模块电流等级的提升。如有必要,可利用过载最高结温TJ = 175°C的特性;第二,如使用相同芯片尺寸的IGBT7替代IGBT4,则应用寿命显著增加。

原文发表于 PCIM Europe 2018

作者:Christian R. Müller,英飞凌科技股份公司

          A. Philippou, C. Jaeger, M. Seifert,英飞凌科技股份公司

          A. Vellei and M. Fugger,英飞凌科技(奥地利)公司

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