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英飞凌62mm 1700V IGBT产品扩容及其在中高压

发布日期:2018-01-09   来源:《变频器世界》12期   作者:周利伟 马新   浏览次数:2588
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【摘   要】:本文详细介绍了英飞凌公司最新推出的62mm 1700V IGBT模块系列的新产品,包括其机械特性、电气特性、开关特性和热特性。以FF500R17KE4为例,通过单模块测试和双模块并联测试,验证了新产品的优异开关特性。通过英飞凌仿真工具IPOSIM并结合级联型MVD产品的典型过载工况,得出了62mm 1700V IGBT全系列模块的输出电流,再根据MVD功率单元的电流范围,给出了基于62mm 1700V产品的IGBT选型新方案及其为MVD客户带来的系统级优势,且赢得了MVD厂家的广泛认可。

 关键词:62mmIGBT模块;开关特性;中高压级联变频器

Abstract: This article details the features of new launched Infineon 62mm 1700V IGBT modules, including its benefits and advantages in mechanical properties, electrical characteristics, switching characteristics and thermal performance. Taking the FF500R17KE4 as an example, the excellent switching characteristics of the new product are verified by single module test and dual module paralleling test. Using the Infineon  simulation tool IPOSIM to simulate the typical overload conditions of the cascaded MVD product, the output current capability of the 62mm 1700V IGBT modules is obtained. Further based on the current range of the MVD power cells, the new IGBT solutions for power cells are recommended as well as its obvious system-level advantages to MVD customer. The new products have gained more and more MVD customers’ wide recognition.

Keywords: 62mm; IGBT module; Switching characteristics; Cascaded MVD

【中图分类号】TN773  【文献标识码】【文章编号】1561-0330201712-0000-00

1 引言

作为全球最大的发展中国家,中国正处在工业化、城镇化快速发展阶段,面临着发展经济、改善民生、保护环境、应对气候变化等多重挑战。在应对全球气候变暖的历史性时刻,节能减排,既是全人类协调一致的行动共识,也是中国转变经济增长方式、实现经济结构升级、 履行国际承诺的重大举措。

在节能减排方面,中高压变频器的功效是非常显著的,它被大量用来驱动大型矿业生产厂矿、石油化工、市政供水、冶金钢铁、电力能源等行业的各种风机、水泵、压缩机等。与传统的控制方式相比较,使用变频器调速的风机和水泵的节能效果可以高达30%甚至40%。随着市场经济的发展和自动化、智能化程度的提高,中高压变频器不但对改进工艺、提高产品质量有好处,还能满足节能和设备经济运行的要求,是可持续发展的必然趋势。

2 MVD级联拓扑及英飞凌最新的产品方案

在中高压变频器设计(简称MVD)中,目前国内的大多数MVD厂家采用了功率单元级联型电路拓扑方案,图1所示是6kV中高压级联变频器的系统简化拓扑图,主要包括移相变压器和690V低压功率单元。MVD输出回路的每一相由5个低压单元级联组成。图2给出了图1中单独一个功率单元的电路拓扑图。


随着中压变频器市场的竞争越来越激烈,为了降低系统成本、缩短开发时间,变频器厂家一直在思考探索:如何简化其系统设计?针对不同的功率单元输出电流,如何尽可能的使单元机械结构一致,比如采用相同封装的功率模块、相似的母排结构和散热器等。作为功率半导体器件的领导厂商,针对上述问题,英飞凌通过扩展其经典的62mm 1700V IGBT产品系列(62mm IGBTMVD中应用最为广泛),为级联型MVD应用提供了最新的系列化解决方案。

本次扩容的62mm 封装IGBT模块,主要是1700V400A500A半桥产品,也是目前业界电流密度最高的62mm封装模块,具体型号如图3所示。它与之前的标准产品完全兼容,客户可以在不改变机械设计的基础上,用新的FF400R17KE4/FF500R17KE4代替原来的FF200R17KE4/FF300R17KE4,直接升级其MVD输出功率,极大的简化系统设计、缩短开发周期;或者用一片新的FF500R17KE4代替原来的2FZ400R17KE4,精简模块数量、缩小散热器的体积,从而实现压缩整个功率单元的体积,乃至提高MVD系统的功率密度。




3 62mm 1700V新产品特点及优势

英飞凌新推出的62mm 1700V IGBT模块采用基于“Trench + Field Stop”( 即沟槽栅+场终止)技术的第四代芯片(IGBT4 E4),最高允许运行结温Tvjop达到150,且E4芯片为中、大功率应用优化设计,在提升开关速度降低开关损耗的同时使IGBT关断波形更平滑,因此非常便于客户设计驱动电路。此系列模块还具有以下电气特性和机械特性。

3.1 电气特性

1)最高连续工作结温150

2)饱和压降Vcesat

3)可靠性非常高

4Vcesat具有正温度系数,有利于模块并联

3.2 机械特性

1)绝缘强度4kV AC 1分钟

2)封装CTI>400

3)具有更大的爬电距离和电气间隙

4)采用标准封装(铜基板)

3.3 开关特性

采用第四代IGBT E4芯片的62mm 1700V IGBT模块具有优异的开关特性,并且便于调试。一方面

降低了设计驱动电路的门槛,另一方面缩减了产品开发时间。下面以FF500R17KE41700V/500A)为例,在双脉冲测试平台上进行单模块测试和双模块并联测试,测试平台配置如下:

1)母线电压Vdc1000V

2)开关电流Ic500A

3)换流回路杂散电感Ls40nH

4IGBT门极电阻Rgon/Rgoff2.2ohm

5IGBT驱动电压Vge±15V

6)环境温度Ta25

3.4 单模块测试

FF500R17KE4单模块测试平台如图4a)所示,测试包括IGBT开通和IGBT关断两部分,测试结果如图4b),4c)所示。在IGBT开通过程中,门极电压上升快并且几乎没有过冲,这保证了IGBT的开通速度,同时与IGBT互补的二极管关断,其反向恢复电流尖峰也比较小。当IGBT关断额定电流时,Vce的过压尖峰也比较低,大约为200V


3.6 模块电流输出能力

为了评估IGBT模块在MVD应用中的输出电流能力,下面根据MVD生产厂家的两种典型设计工况来评估:

1)过载工况1

过载倍数110~120%, 过载时间1-2min/10min

为了涵盖不同客户的需求,取最恶劣工况120%2min/10min来评估。

2)过载工况2

过载倍数150%,过载时间2-5s/10min

此处也取最恶劣工况150%5s/10min来评估。

仍以FF500R17KE4为例,在相同的工况及散热条件下(FF500R17KE4包含两个开关,假设每一个开关对应的散热器热阻Rth_ha/arm=0.3K/W 时间常数τ=60s),如图6所示。借助于英飞凌公司的IPOSIM软件评估损耗及结温,结果如图7-8所示:


从上面的仿真结果对比可以看出,IGBT模块虽然在150%/5s/10min过载时的损耗要大于在120%/2min/10min过载时的损耗,但其对应的IGBTFWD的结温峰值却更低。原因即在于5s的过载时间远远小于散热器的时间常数τ=60s,所以散热器的温升很小,从而IGBTFWD的结温峰值也更低。因此,120%/2min/10min的过载工况对IGBT模块更恶略。

1即是按120%/2min/10min过载工况,及在IPOSIM在线仿真推荐的三种不同散热条件下(较差、典型、较好),对主要的62mm模块所能输出的额定电流(此处指MVD功率单元的额定输出电流)进行评估。鉴于不同MVD厂家的设计能力和在设计时为IGBT结温Tvj留出的安全余量不同,这里分别给出了在Tvj=150Tvj=135两种情况下的输出电流能力,仅供参考。


4 62mm 1700V IGBT产品与MVD系列化的推荐方案

由于在实际应用中,MVD生产厂家对功率单元的额定输出电流划分是有梯度的,且基本根据机柜尺寸与所能涵盖的功率单元的输出电流的对应关系进行划分,因此结合表1每个IGBT模块输出电流的仿真结果,可以得到如下的62mm 1700V IGBT模块在MVD应用中的新推荐方案,如表2所示,通过对比新方案与现有的通用方案,简要总结了新方案的优势并总结如下。


从上表可以看出,采用新方案后,输出电流在80A~500A范围内的功率单元,均可以用62mm半桥模块进行设计,从而精简了物料种类。由于采用了完全统一的IGBT封装,所以功率单元设计及安装流程均得到简化。另外由于物料种类的高度集中使得某些物料用量突出,MVD厂家也可以取得更好的采购价格,这些都可以帮助厂家节省系统成本,从而助其产品在市场上处于更有利的竞争地位。

5 结束语

得益于持续的创新能力、领先的芯片技术、成熟的封装技术以及产品在市场的卓越表现,英飞凌最新发布的62mm FF400/500R17KE4400A/500AIGBT模块处于业界领先地位,并再次奠定了其市场领导者的地位。62mm 1700V IGBT新产品的扩容,为MVD厂家优化功率单元(80A500A)设计和安装流程、精简物料种类提供了新的途径。从而功率单元的物料种类更集中,采购成本更低,使MVD厂家能有效的降低其系统成本,增强其市场竞争力,且逐渐得到各MVD厂家的广泛认可,

参考文献(略)

作者简介

周利伟  1982- 高级应用工程师 研究方向为IGBT功率模块及单管的相关应用研究及技术支持工作 就职于英飞凌科技(中国)有限公司

 
 
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