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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
2、可配备高压变频器。 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
3、器件的串联，提高 了装置的可靠性 缺点： 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
4、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,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
5、。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% / 5y Die 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,Eco
6、no Package (RoHS, Solder-free terminal),Primary 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 3300V 80
7、0-1500A (under dev.),DualXT, EP+ Standard 30mm-H,EPXT, PCXT, IPM Easy1/2B & Smart (plan),HPM 1200V 600-3600A 1700V 600-3600A,PrimePACKTM 1200V 600-1400A 1700V 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
8、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) =175oC 175oC UL 認定 E82988,更便于设计 高损坏耐受量， 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/div CH
9、2 IC : 25A/div CH3 VGE : 20V/div,VDC=900V, 2xIc Intentionally large L-stray,V-IGBT,V系列：更好的Rg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
10、）。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。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
11、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=768V D16V,1020V,964V D56V,1168V,1060V D108V,1252V,1152V D100V,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
12、的。,测试条件： Vge=15V, Vcc=900V, Ic=600A, Tj=RT Rgoff=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,Hotspots,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
13、 (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 Power 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
14、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_pcim06_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
15、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 =(
16、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
17、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 *Rthj
18、c 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,di dt,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，否则模块很容易损坏！,Static Voltage is limited by absolute maximum rating.,Static Voltage Dynamic Voltage Dynamic Volta
19、ge 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: 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：
20、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)：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,Vdc Vdc_
21、nom,Err_Rgext Err_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_IGBT Tj_FWD Tc P FWD *Rthjc_IGBT Tc 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
22、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 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
23、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*V PCge=CGE*fsw* V2 P=PGate+PCge 驱动电流 Imax=V/(Rgstd+Rgint) e.g. 2MBI150VH-170-50 Qg = 0.6 + 1.2 = 1.8uC Pgate = 1.8uC * 3kHz *(10+15) = 0.135W Imax = 25/(5+ 3*4.8) = 1.29A Concept 2SC0108T OK.,功率单元设计,短路保护：Vce（sat)检测
24、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 EMI FWD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，对于高压
25、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
26、电流通过该 CGE旁路，从而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,