随着国家“双碳”政策的推进，大力推广节能减排技术已经在各行业逐步深化。在高能耗的工业应用中，通过变频器控制电机调速可以节能大约15-40%，有着巨大的经济效益， 因此一直是节能减排的重要措施。作为通用变频器重要的细分产品，690V变频器主要应用于冶金、石油、造纸、港口大型起重设备和船舶等领域。英飞凌上一代的1700V EconoDUAL™ 3 IGBT4模块已经在690V变频器中得到了广泛应用。随着芯片技术的发展和变频器系统功率密度的提升，英飞凌基于最新的1700V IGBT7芯片和EC7二极管芯片推出了新一代的EconoDUAL™ 3 IGBT7模块。



产品概述


由于芯片电流密度的提升，IGBT7模块有6个电流等级和8种产品，如下表所示。


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■ 更高电流等级：除了与IGBT4的4个电流等级兼容，IGBT7还提供750A和900A两款更高电流等级的产品，可以进一步提升系统的功率密度。

■ 加强反并联二极管：此外，FF750R17ME7D_B11配置了1200A的反并联二极管芯片，更适合零功率因数和负功率因数应用工况，比如SVG，使用IGBT模块的AFE整流单元。

■ 直接水冷设计：FF900R17ME7W_B11的铜基板采用了直接水冷设计，可以进一步提升模块的散热效率和系统的功率密度。


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EconoDUAL™ 3

封装外形图

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FF900R17ME7W_B11

直接水冷模块的铜基板



性能优势


1700V EconoDUAL™ 3 IGBT7除了有更丰富的产品系列和更高的电流等级，还有哪些独特之处可以助力提升690V变频器的系统价值？且听我一一分析。


1

IGBT7的VCE sat更低


以FF600R17ME4_B11和 FF600R17ME7_B11为例，当Ic为600A，结温为150℃时，两种器件的IGBT饱和压降为分别为2.45V 和1.95V。FF600R17ME7_B11比FF600R17ME4_B11低0.5V，大约20.4%。


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2

IGBT7的动态特性更优


由于EC7二极管芯片的特性更软，IGBT7芯片的开通dv/dt可以更高，开通损耗也更低。在相同的测试平台，IGBT7模块FF900R17ME7_B11的开通dv/dt最高为9.4kV/us，而IGBT4模块FF600R17ME4_B11仅为3.4kV/us（绿色实线对应的dv/dt最大值），如下图a所示。主要的原因是在图b中，FF600R17ME4_B11的二极管EC4在3.4kV/us已经出现了比较明显的关断电压震荡，从而限制了IGBT开通速度的增加。在相同的关断电阻，FF900R17ME7_B11的dv/dt比FF600R17ME4_B11大，有利于降低关断损耗。


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a

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b


3

IGBT7的工作结温更高


在下图a中，IGBT7允许的最高工作结温为175℃，持续时间t1最大为60秒，占空比Dmax最高为20%。当温度周期T为300秒时，t1最大正好是60秒。此时，IGBT7的结温时间曲线和变频器典型的重过载电流时间曲线重合，如下图c所示，从而可以根据IGBT7的150℃长期结温和175℃过载结温评估变频器的重过载工况。与下图b中IGBT4的最高工作结温150℃相比，IGBT7额外的25℃过载结温可以进一步提升系统的功率密度。


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a – IGBT7允许的工作结温和时间曲线；

b – IGBT4允许的工作结温和时间曲线；

c – 变频器典型的重过载电流和时间曲线


4

IGBT7的EconoDUAL™ 3的

功率端子散热更强


随着系统功率密度的提升，EconoDUAL™ 3封装交直流功率端子的温升可能会成为系统设计的瓶颈。为此，新一代的EconoDUAL™ 3封装优化了内部结构，增加了DCB和功率端子之间的铜绑定线数量，以提高散热效率，如下图所示。


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a – FF600R17ME4_B11

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b – FF600R17ME7_B11

EconoDUAL™ 3模块功率端子与DCB连接的铜绑定线


5

IGBT7的EconoDUAL™ 3的

内部等效电阻更低


此外，如下表所示，IGBT7模块内部连接的欧姆电阻RCC’+EE’，也称引线电阻，在常温下为0.8毫欧，比IGBT4模块的1.1毫欧降低了27.3%，可以降低引线电阻的损耗。


EconoDUAL™ 3 IGBT4和IGBT7

模块内部的引线电阻阻值

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仿真案例


PLECS仿真工况：既然IGBT7比IGBT4有这么多的优势，那它在690V变频器的产品层面表现如何？莫急，下面主要以450A电流等级的IGBT7和IGBT4为例，通过电力电子仿真软件PLECS和基于规格书的器件热模型对两种IGBT模块进行详细的仿真分析。下表是690V逆变器的典型工作参数。

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PLECS仿真结果，输出电流和结温：下图是四种IGBT模块的输出电流和IGBT芯片结温的仿真曲线。IGBT4的最高工作结温是150℃，FF450R17ME4_B11对应的输出电流为275A。IGBT7的最高工作结温是175℃，FF450R17ME7_B11对应的输出电流343A, 比IGBT4高24.7%。同理，FF600R17ME4_B11的输出电流为302A，FF600R17ME7_B11的输出电流380A,比IGBT4 高25.8%。相同输出电流时，IGBT7的结温明显低于IGBT4，且随着输出电流的增加，两者的温差越来越大。

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IGBT7结温低的原因是损耗低。假定一个IGBT模块的输出电流为271A，下图是半个IGBT模块的损耗对比， FF450R17ME4_B11的损耗是325.9W，FF450R17ME7_B11的损耗是246.2W，比FF450R17ME4_B11低24.4%，因此IGBT7模块可以降低系统损耗和提升系统效率。


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PLECS仿真结果，结温，壳温和散热器温度：下图是IGBT的结温、壳温和散热器温度对比，FF450R17ME4_B11的结温、壳温和散热器温度分别为115.3℃、98.4℃和91.2℃，FF450R17ME7_B11分别为105℃、86.6℃和79.5℃。IGBT7的结温、壳温和散热器温度比IGBT4低10.3℃、11.8℃和11.7℃，可以提高系统的可靠性。

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PLECS仿真结果，提升输出电流和开关频率：IGBT7损耗低和温升低的优势有利于提升IGBT的输出电流或者开关频率（载频）。在1250Hz，217A输出时，FF450R17ME4_B11的结温为115.3℃，FF450R17ME7_B11的结温为105℃。如下图所示，如果保持与FF450R17ME4_B11相同的开关频率和结温，FF450R17ME7_B11的输出电流可以增加到240A，增加了23A，10.6%。如果保持与FF450R17ME4_B11相同的输出电流和结温，FF450R17ME7_B11的开关频率可以增加到1750Hz，增加了500Hz，40%。

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IGBT开关频率[Hz]

IGBT7助力690变频器功率跳档的PLECS仿真：IGBT7允许的最高工作结温是175℃，IGBT4是150℃。参考下表690V 200kW和250kW变频器的额定电流、轻过载电流和重过载电流，通过器件的规格书热模型和PLECS仿真评估FF450R17ME7_B11是否能实现变频器的功率跳档。仿真虽然和真实的变频器系统有差距，但是它能帮助我们快速评估器件性能的表现趋势。

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下表是IGBT4和IGBT7的仿真结温对比，在不同工况下有如下区别：


  • 在额定电流工况下，FF450R17ME4_B11的结温是115.3℃，距离最高结温有34.7℃的裕量。FF450R17ME7_B11的结温是129.6℃，距离IGBT7允许的最高连续运行结温150℃有21.4℃的裕量。

  • 在110%轻过载工况，FF450R17ME4_B11的结温是122.8℃，距离最高结温有27.2℃的裕量。FF450R17ME7_B11的结温是135.1℃，距离最高结温有39.9℃的裕量

  • 在150%重过载工况，FF450R17ME4_B11的结温是118.7℃，距离最高结温有31.3℃的裕量。FF450R17ME7_B11的结温是137.2℃，距离最高结温有37.8℃的裕量。


基于仿真评估结果，从结温裕量的角度来说，FF450R17ME7_B11满足250kW变频器的工况，与FF450R17ME4_B11相比，它可以助力变频器功率从200kW扩展到250kW，实现功率跳档。


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 总结 


本文首先介绍了1700V EconoDUAL™ 3 IGBT7的产品系列和性能特点，然后以1700V 450A IGBT4和IGBT7为例，通过PLECS仿真详细研究了IGBT7在损耗、温升和高载频等方面的优势。由于IGBT7的最高工作结温是175℃，仿真结果表明IGBT7可以实现变频器的功率跳档。为了便于大家理解，下图总结了IGBT7的产品优势和对690V变频器的应用价值。


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