變速驅(qū)動(dòng)器（VSD）相較於以機(jī)械節(jié)流進(jìn)行的定速運(yùn)作，能夠節(jié)省大量電力。IGBT7適合需要高效率和功率密度的變速驅(qū)動(dòng)器使用。

電動(dòng)馬達(dá)消耗近一半的發(fā)電量 [1]。相較於以機(jī)械節(jié)流進(jìn)行的定速運(yùn)作，變速驅(qū)動(dòng)器（VSD）可節(jié)省大量電力。其中需要高效、強(qiáng)大及符合成本效益的功率半導(dǎo)體以提升變頻率，並進(jìn)一步提升整體系統(tǒng)效率。

驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的主要議題之一，就是馬達(dá)絕緣系統(tǒng)固有限制對(duì)切換速度的限制。因此切換斜率 （dv/dt）限制在 2 到 10 kV/μs 之間，一般目標(biāo)為5 kV/μs。此外，一般僅需要短時(shí)間的馬達(dá)過載，例如在啟動(dòng)時(shí)提供初始起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。英飛凌1200 V TRENCHSTOP? IGBT7，以及射極控制二極體 EC7 技術(shù)，可滿足以上需求。IGBT7是以最新的微圖案溝槽技術(shù)為基礎(chǔ) [2]，導(dǎo)通損耗遠(yuǎn)低於IGBT4。其中提供高度的控制能力，並可在短暫的過載條件下於175 °C運(yùn)作。

主要優(yōu)點(diǎn)包括：

*非常低的導(dǎo)通電壓，例如 VCE（sat） = 1.65 V （@Tvj = 攝氏125度）

*過載時(shí) Tvj,op = 攝氏175 度

*增強(qiáng) dv/dt 的控制能力

*dv/dt = 5 kV/μs 時(shí)的切換損耗最佳化

*8 μs 短路強(qiáng)健性，具降額曲線

*加強(qiáng) FWD （飛輪二極體） 柔性

*高功率密度，封裝尺寸最多減少 40%

*深獲肯定的封裝技術(shù)和廣泛的產(chǎn)品組合

晶片技術(shù)

IGBT7單元概念的特色，是實(shí)作以亞微米臺(tái)面分隔的條紋圖案溝槽單元[2]，而不是之前使用的方形溝槽單元。圖一是顯示MPT結(jié)構(gòu)及可能溝槽設(shè)計(jì)的示意圖。對(duì)於單元間距較小，以及閘極區(qū)域之間為窄臺(tái)面的溝槽單元，靠近射極電極的載子儲(chǔ)存會(huì)顯著增加。因此漂移區(qū)的導(dǎo)電率顯著增加，造成正向電壓大幅降低。

圖1 : 晶片技術(shù)概觀

與上一代IGBT4相比，IGBT7的關(guān)斷損耗幾乎相同，同時(shí)大幅降低靜態(tài)損耗。其導(dǎo)通電壓比 IGBT4 T4晶片減少約 20%。Tvj = 125°C 時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)值為1.65 V。這可在最終應(yīng)用大幅降低損耗，特別是工業(yè)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用，因?yàn)檫@類應(yīng)用通常以中度切換頻率運(yùn)作。

射極控制二極體EC7是為驅(qū)動(dòng)應(yīng)用量身打造，不論是IGBT本身或IGBT7的FWD都是如此。相較於之前的射極控制二極體EC4，EC7降低100 mV的正向壓降，並且還加強(qiáng)逆向恢復(fù)柔性 [3]。

最佳化切換

對(duì)於獲得變頻器供應(yīng)一般脈衝寬度調(diào)變（PWM）電壓訊號(hào)的馬達(dá)，其絕緣系統(tǒng)將承受更高的電應(yīng)力。其中產(chǎn)生的電壓尖峰和上升時(shí)間可能導(dǎo)致電弧放電，最終造成線圈絕緣失效。因此馬達(dá)製造商一般建議，在 400 V馬達(dá)的最糟情況下，不要超過約5 kV/μs的dv/dt限制。

TRENCHSTOP? IGBT7為此提供高度的控制能力。控制能力代表裝置調(diào)整閘極電阻值 （RG）以改變dv/dt的能力。這將會(huì)影響總切換損耗（Etot）[3]。TRENCHSTOP?IGBT7本身最適合5 kV/μs左右的一般dv/dt值。在TRENCHSTOP? IGBT7資料表之中，dv/dt值和切換損耗是根據(jù)外部閘極電阻RG所提供[4]。導(dǎo)通dv/dt曲線是依據(jù)10% 額定電流和室溫條件指定，關(guān)斷曲線則是依據(jù)額定電流和室溫條件指定。其中應(yīng)注意dv/dt程度（特別是導(dǎo)通dv/dt）並非絕對(duì)，也取決於最終測(cè)試設(shè)定。

圖二提供範(fàn)例，描述IGBT dv/dt與100 A模組FS100R12W2T7閘極電阻RG 的函數(shù)關(guān)係。額定RG為1.8 Ω時(shí)，關(guān)斷dv/dt 已經(jīng)低於5 kV/μs，導(dǎo)通dv/dt則非常接近此項(xiàng)限制。圖二顯示需要4 kV/μs dv/dt時(shí)的閘極電阻值。圖三顯示依據(jù)電阻的標(biāo)準(zhǔn)化切換損耗。在4 kV/μs情況下，總切換損耗僅比額定RG.情況下的值高7%。

圖2 : IGBT dv/dt 對(duì)比 FS100R12W2T7 的閘極電阻 RG

圖3 : Tvj = 125°C、VDC = 600 V 情況下的切換損耗，標(biāo)準(zhǔn)化為 ICnom

功率損耗

減少功率損耗同時(shí)大幅提升功率密度，是重要的設(shè)計(jì)目標(biāo) [3]。這樣可協(xié)助最終使用者建構(gòu)更高效可靠的電力電子系統(tǒng)。

我們依據(jù)表一提供的一般應(yīng)用條件，模擬兩個(gè)額定25 A電源模組的變頻器級(jí)功率損耗。圖四顯示特定 dv/dt 限制條件下的切換損耗類似，但傳導(dǎo)損耗顯著降低。此外，二極體損耗也減少。總而言之，這樣可以降低 15% 的功率損耗。

圖4 : 模擬 FP25R12W2T4和FP25R12W2T7（Easy2B）的每開關(guān)功率損耗

擴(kuò)大機(jī)座尺寸

IGBT7 的主要系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)不僅是降低功率損耗，也可提升功率密度，以及提供更高的作業(yè)溫度。驅(qū)動(dòng)器製造商一般會(huì)以單一機(jī)械機(jī)座尺寸，提供多種馬達(dá)功率等級(jí)。TRENCHSTOP? IGBT7 由於功率密度較高，可擴(kuò)展現(xiàn)有機(jī)座尺寸。

下節(jié)將提供通用驅(qū)動(dòng)器（GPD）的應(yīng)用範(fàn)例。其中的重點(diǎn)是提升功率密度，進(jìn)而降低系統(tǒng)成本。使用縮小40%的電源模組，也就是以Easy1B 取代Easy2B，可實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)目標(biāo)。接面溫度模擬於過載條件下進(jìn)行，其中假設(shè)7.5 kW（ND）及5.5 kW（HD）功率等級(jí)馬達(dá)的工業(yè)正常負(fù)載（ND）及重載（HD）運(yùn)作條件[4]。

在這兩種條件下，都可以使用Easy1B封裝的IGBT7。此外由於作業(yè)溫度更高，因此可以減少冷卻負(fù)擔(dān)。圖五顯示ND負(fù)載曲線範(fàn)例，其中假設(shè)3秒150%過載和60秒的110% 過載，以及17.8A的基本負(fù)載輸出電流。接面溫度 Tvjop 是依據(jù)（每開關(guān)）散熱器 RthHA熱阻提供。在相同RthHA的情況下，IGBT7可於更低的溫度運(yùn)作。或是利用更高的作業(yè)溫度175°C，就可以接受更高的RthHA值，搭配比較不複雜的散熱器 （例如標(biāo)準(zhǔn)鋁擠型） 或較弱的風(fēng)扇。

圖5 : 正常負(fù)載（ND）情況下以 RthHA 函數(shù)表示的接面溫度：比較FP25R12W2T4（Easy2B）及FP25R12W1T7（Easy1B）

結(jié)論

比較IGBT4和IGBT7之後，顯示IGBT7具備顯著優(yōu)勢(shì)，特別是變速驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用。Easy 1B和Easy 2B封裝IGBT7的模擬結(jié)果，顯示IGBT7有潛力達(dá)到遠(yuǎn)高於IGBT4的功率密度。這是因?yàn)镮GBT7可在更小的封裝之中，提供相同的額定電流。此外IGBT7最適合在5 kV/μs的dv/dt情況下運(yùn)作，以滿足馬達(dá)絕緣系統(tǒng)需求。

總之，IGBT7是一種極具吸引力的解決方案，適合需要高效率和功率密度的變速驅(qū)動(dòng)器使用。

（本文作者Benjamin Sahan、Yizheng Zhou、Ainhoa Puyadena Mier、Uwe Jansen、Alexander Philippou、Max Seifert、ChristianR.Muller 及 Christian Jaeger任職於英飛凌科技）

參考資料

[1] F. Ferreira, A. de Almeida "Reducing Energy Costs in Electric-Motor-Driven Systems", IEEE Industry Applications Magazine 2018

[2] C. Jaeger, et al, “A New Sub-Micron Trench Cell Concept in Ultrathin. Wafer Technology for Next Generation 1200 V IGBTs” ISPSD, Sapporo, Japan, 2017.

[3] C. R. Muller, et al., “New 1200 V IGBT and Diode Technology with Improved Controllability for Superior Performance in Drives Application”, PCIM Europe, Nuremberg, Germany, 2018

[4] Infineon Technologies AG “AN2018-14 TRENCHSTOP? 1200 V IGBT7 Application Note”