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第7代“X”系列IGBT-IPM:更小、更节能、更高效

第7代“X”系列IGBT-IPM:更小、更节能、更高效

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具备驱动功能和保护功能的IGBT模块IPM(Intelligent Power Module),可以更进一步实现变频器的小型化、低损耗化、高性能化吗?

富士电机新开发的第7代“X系列”IGBT-IPM(X系列IPM) 可以做到。

X-IPM产品线

下表展示的是X系列IPM的产品线。开发这条产品线的依据总结为2点:满足市场小型化需求、适应市场大电流化需求。

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(标*的为正在开发中的产品)

1、满足市场小型化需求

为满足市场的小型化要求,X系列IPM新增加了“P639”、“P644”、“P638”三种封装。

新封装“P639”

采用RC-IGBT(Reverse Conducting-IGBT)芯片技术,与传统封装中最小尺寸的“P629”相比,铜底板面积进一步减少了27%。

“P644”

与传统封装的“P626”外形尺寸相同,但该封装使7in1成为可能。

“P638”

与传统的同一电流容量封装的“P630”相比,“P638”封装铜底板面积减少了54%。

2、适应市场大电流化需求

X系列IPM为适应市场大电流化需求,将大额定电流产品加入到了产品阵容之中。

在传统的“V系列”IGBT-IPM(V系列IPM)中, 额定电压值600V的产品其额定电流最大到400A,额定电压值1200V的产品其额定电流值最大到200A。

而X系列IPM,额定电压值650V的产品可扩充至450A,额定电压值1200V的产品甚至可扩充至300A。

通过新封装的系列化和现有封装额定电流的扩大,有助于所搭载装置实现小型化。

主要功能和特点

1、降低损耗(高效率化)

- 改善电力转换装置的转换效率

为改善电力转换装置的转换效率,降低IPM 的损耗非常重要。

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△ IGBT 芯片截面结构比较

与第6代IGBT相比,

通过让芯片厚度变薄,改善导通电压(集电极与发射极饱和电压)和关断损耗。

通过优化表面的沟槽型栅结构,增强提高表面侧载流子浓度的IE(Injection Enhanced)效果,改善导通电压和关断损耗的权衡关系。

-表面结构更优化

与标准的IGBT 模块中搭载的IGBT相比,IPM用IGBT表面结构更加优化。该方法是内置了短路保护功能才得以实现的IPM特有的改善方法。

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上图所示为集电极与发射极饱和电压VCE(sat) 和关断损耗Eoff的权衡。

关断损耗相同时,IPM用第7代IGBT导通电压比IPM用第6代IGBT降低了0.25V,比模块用第7代IGBT降低了0.15V。

但是,通过表面结构的微细化降低导通电压后,也会使得短路电流增加。

而IPM内置的短路保护使得保护速度更快,因此,权衡得到了进一步改善。

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上图所示的是75A/1200V的IPM在PWM变频器动作时的损耗仿真结果。

通过上述特性改善,与V系列IPM相比,7G(X系列IPM)的总损耗在载波频率为5kHz时改善了约14%;在载波频率为10kHz时改善了约14.7%。

2、保护功能特性

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上表所示为X系列IPM与原有V系列IPM保护功能的比较。

X系列IPM的特点为短路保护功能的高速化与报警输出功能的改善、内置温度预警输出功能、报警时制动部分独立动作。

关于业界率先搭载的报警原因识别功能,在X系列IPM中,通过将每个报警原因的识别范围从0.1ms扩大到1.1ms以上,来提高报警原因识别功能的识别性。从而优化报警输出时的原因分析、原因调查的精确度。

此外,作为报警输出的新功能,X系列IPM设置了下桥臂保护动作时制动单元IGBT的独立动作。

原有IPM的下桥臂一旦检测到异常并输出报警,其控制逻辑就会停止下桥臂所有输出动作。然而此时因制动单元的动作也已停止,所以无法通过制动电路释放旋转的马达中产生的能量,导致存在P-N间电压上升的问题。

而X系列IPM下桥臂的变频器单元,在检测到异常并输出报警时制动器单元依旧可以动作,从而抑制电机的能量回馈引起的主电源P-N间电压的上升,防止半导体器件的过电压破坏。

并且,当制动单元异常时,也可保护制动单元和其他下桥臂的变频器单元。

3、温度预警输出功能(适于部分机型)

X系列IPM在业界率先搭载了温度预警输出功能。一旦它监视到IGBT芯片超过了规定温度,那么芯片过热的状态将作为警报被通知到IPM的外部。

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△ 温度预警输出功能的动作波形

上图为温度预警输出功能的动作波形。

IGBT的芯片温度超过175℃时会触发过热保护,输出预警信号的同时停止开关动作。

另一方面,触发温度预警输出时,可继续IGBT的开关动作。

具体而言,当机床、电梯等装置出现冷却能力不良(散热片堵塞、风扇故障、润滑剂用完等)、X系列IPM内部的IGBT芯片温度超过150℃时,即向装置端输出温度预警信号。

装置接收到信号后,可通过降低施加于IPM的负载电流等方法,使IGBT的芯片温度低于175℃,避免装置动作停止,继续运行,可在适当的时机进行装置维护。

4、高温运行化与降低损耗的效果

下图是X系列IPM 与V系列IPM运行温度的对比。

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X系列IPM连续运行时的Tvjop从V系列IPM的125℃扩大到了150℃,最大芯片接合温度Tvjmax从V系列的150℃扩大到了175℃。

为实现这样的高温运行,X系列IPM也使用了高耐热凝胶和高可靠性焊接等技术的第7代封装技术。

此外,内置于IPM的控制IC在不易受温度影响的电路方式和高温时电迁移的基础上进行了布局设计,使高温下的运行成为了可能。

这样设计最直观的优点就是,在电力转换装置中,可应用于比原来更严格的负载条件和低散热设计。

下图是IPM在该变频器工况输出电流与芯片结温的对比:

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X系列IPM通过扩大连续运行时的IGBT芯片结温和降低损耗,输出电流增加约31%(与V系列IPM相比)。

目前X系列IPM的应用手册(中文版)已在集团官网正式上线。

有关X系列IPM的产品线、应用注意事项、推荐电路等信息都可在应用手册中获取到。

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王妍
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