第四代IGBT和第七代IGBT的性能对比

摘 要

变频器在设计上不断的推陈出新，为了提高功率密度并降低成本，工程师更是绞尽脑汁。IGBT（绝缘栅型双极性晶体管）在变频器里属于关键器件，其选型和损耗直接关系散热器的大小，也直接影响着系统的性能、成本和尺寸。

本文从变频器的应用特点出发，结合第七代IGBT的低饱和压降和最大运行结温等特点，介绍了第七代IGBT如何助力变频器应用。

本文通过分析变频器的损耗组成，并通过热仿真对比第四代IGBT和第七代IGBT的性能，最后通过实验来验证结论。相同工况下IGBT7损耗和结温明显低于IGBT4，这样可以减小变频器的体积或是保持相同体积下增大输出电流，实现功率跳档，从而提高产品的功率密度。

01

引言

电机在家电、传动、交通运输、新能源和工业机器人等行业有着非常广泛的应用。电机驱动着我们日常的工作和娱乐。低压变频器作为驱动电机的主要产品，因调速范围广、操作简单，能够实现节能、软起、提效等功能，应用非常广泛，如电梯、风机、水泵、纺织、冶金等行业。

2021年是“十四五”规划开局之年，中国敲定了碳中和的路线图，力争在2030年前达到二氧化碳排放峰值，2060年前实现碳中和。目前中国制造业正在开展新一轮转型升级，这对工业设备的性能提出了更高的要求，节能、绿色驱动的方式将成为主流，这又将推动变频器市场的增长，尤其是新一代更高功率密度的产品。

低压通用变频器市场竞争非常激烈，针对目前的市场需求，主要厂商加大研发投入降低产品成本、提升产品性能。而变频器电路拓扑主要采用交-直-交变频，电路拓扑固定，且发展相对缓慢。变频器产品的发展特点在硬件上就集中体现为减小尺寸、提高功率密度从而降低成本。

从硬件角度讲，

低压通用变频器的特点主要有：

交-直-交：不控制整流+制动单元+三相逆变；

低开关频率：额定4KHz~6kHz，如提高开关频率会降额；

短时过载需求：150%过载/1分钟；

针对通用变频器的这些应用特点，英飞凌公司推出了第七代IGBT模块。那么第七代IGBT模块对比目前市场主要使用的第四代的IGBT模块在变频器应用中的优势体现在哪里呢？是如何做到提高功率密度的？本文将通过仿真和实验来探究。

02

IGBT7芯片技术

目前IGBT芯片技术已经发展到第七代的水平，以英飞凌的IGBT的芯片技术为例，从最开始的PT技术，到NPT平面栅，再到沟槽栅，现在到了第七代，也就是微沟槽栅（简称MPT，下同）技术。IGBT7采用了基于MPT的IGBT结构。在n-衬底的底部，通过p+掺杂实现了集电极区。在n-衬底和和p+之间，通过n+掺杂实现了场截止（FS）结构。它可以使电场急剧下降，同时会影响器件的静态和动态特性。

与IGBT4相区别的是，IGBT7里的沟槽除了包含常见的有缘栅极，还有发射极沟槽和伪栅极，后两种沟槽是无效沟槽。这三种沟槽单元类型能够精细化定制IGBT。通过增加有源栅极密度，能够增加单位芯片面积上的导电沟道。一方面，由于器件输出特性曲线更陡，可降低静态损耗。当然，带来的影响还有栅极-发射极电容（CGE）增加，代表着其开关参数也发生了变化。

图1.英飞凌芯片技术

到具体应用层面，IGBT7的优势总结为：

更低的导通饱和压降Vcesat；

最高短时工作结温可以到175℃；

针对电机驱动类应用的dv/dt特性优化；

03

IGBT7技术应用在变频器

IGBT7设计的初衷是针对电机驱动的应用。通过减少功率器件的总损耗和提高过载条件下的最高结温到175℃来提高功率密度、减少系统尺寸最终达到降低系统成本的目的。为什么IGBT7适合变频器应用呢？

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变频器应用中，一般情况下，额定开关频率范围4KHz~6KHz。在此工况下，总损耗中导通损耗占比最大。IGBT7通过降低Vcesat来减少导通损耗。从而达到降低总损耗的目的；

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IGBT7支持最高175℃的运行结温，有效满足变频器过载的需求；

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IGBT7 PIM模块集成有整流桥、制动单元和逆变桥，为变频器量身定做。

接下来，结合5.5KW变频器，通过仿真和实验来验证IGBT7在变频器应用中的优势。

首先我们可以通过仿真来评估IGBT7在变频器应用中的结温和损耗分布。PLECS涉及到电能转换系统的电气回路，磁性元件，散热回路和机械以及其控制部分可以提供快速的仿真。本文使用Icepak和PLECS混合热仿真实验，并计算损耗和结温。

图2.仿真和实验流程图

3.1

建立PLECS器件模型

（1）双脉冲测试

虽然器件规格书上会有开关损耗的数据，但是母线电压、结温、主功率回路的杂散电感、门极回路的寄生电感和寄生电阻都会对开关损耗产生影响［4］。通过双脉冲测试可以得到IGBT7的开关损耗和二极管的反向恢复损耗。当然还可以得到各电压电流尖峰值，斜率变化值在内的动态参数。本次实验直接在整机的主功率电路板上做双脉冲测试，这样测得的数据更加符合实际。

本次测试选取了室温、35℃、75℃和125℃这四种不同的温度，得到IGBT7的关断损耗和开通损耗。因第七代IGBT使用了MPT技术，在维持较低dv/dt的情况下，驱动电阻可以选的更小［5］，所以本次双脉冲测试驱动电阻（Rg）选取10欧姆和15欧姆，如图3和图4所示。

图3.Rg=15Ω时IGBT7关断损耗实测数据

图4.Rg=15Ω时IGBT7开通损耗实测数据

（2）创建器件模型

基于规格书的数据，将Vcesat与Ic（集电极电流）的输出特性曲线导入到PLECS器件模型里，再加上之前得到的开关损耗，就可以得到IGBT和反并联二极管的损耗模型。最后输入四阶的瞬态热阻，就可以得到IGBT7的PLECS热模型了，如图5所示。

图5.IGBT7器件模型

3.2

3D和PLECS联合热仿真结果

采用3D和PLECS联合热仿真的目的是提高仿真结果的精度。IGBT和二极管芯片产生的绝大部分的热量通过图6中纵向的热阻传递到环境中；只有极少部分的热量横向传递，在本文中可以忽略不计。从热等效网络可见，Rth，c-h（散热器热阻，下同）的精度直接影响到IGBT芯片结温的估算。PLECS的优势是可以通过仿真得到损耗和芯片结温，而3D热仿真的优势是可以得到散热器热阻值。采用3D和PLECS联合热仿真的目的是提高仿真结果的精度。

图6.IGBT热等效网络

基于第七代IGBT FP25R12W2T7，使用PLECS仿真计算出损耗后，导入到3D热仿真可以得到散热器的热阻，再将散热器热阻导入到PLECS迭代后重新仿真，可以得到IGBT和二极管的晶圆的结温，具体结果请参见表1。表1和表2中“仿真模式”一列中的热阻指的是散热器热阻Rth，c-h。

仿真条件如下：

母线电压Vdc=540V；

调制比为1；

输出频率为50Hz；

散热器的时间常数为67s；

输出功率因数为0.85；

表1.IGBT7热仿真结果

　　

      审核编辑：彭静