高压变频器SVG的推广资料XXXX4.ppt

用于高压变频器的用于高压变频器的V V系列系列IGBTIGBT•我国我国发电量的量的60％～％～70％左右用于推％左右用于推动电动机做功，其中机做功，其中90％的％的电机机是交流是交流电机，大部分机，大部分为400～～40000Kw，，3～～10Kv的大功率高的大功率高压交流交流电动机由于采用直接恒速拖机由于采用直接恒速拖动，每年造成大量的能源浪，每年造成大量的能源浪费•占工占工业用用电30％以上的各种％以上的各种风机、机、泵类负载，工况，工况变化化较大，如采用交大，如采用交流流调速技速技术实现变速运行，速运行，节能效果明能效果明显以平均节电20％％计算，算，对全全国来国来说年年节电500亿度，同度，同时可以相可以相应减少减少2000万吨万吨发电用煤，用煤，50万吨万吨二氧化硫和二氧化硫和1200万吨二氧化碳的排放万吨二氧化碳的排放e.g.•一个一个 60 万千瓦万千瓦电厂包括厂包括风机、水机、水泵在内，一共有在内，一共有 20台台辅机，其中机，其中 13台可以台可以应用高用高压变频•一座高炉需配一座高炉需配备风机、水机、水泵、冲渣、冲渣泵等等 10 台，都可配台，都可配备高高压变频器。

器•一条一条 5000吨吨/天天 的水泥生的水泥生产线，包括，包括风机、磨煤机在内，共需机、磨煤机在内，共需 11台台辅机，都可配机，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流源型 – AB AB公司公司优点：点：①易于控制电流，便于实现能量回馈和四象限运行②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③结构简单，使用的功率器件少，使驱动和吸收电路简化缺点：缺点：①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②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三三电平电平电压源型电压源型 – S S公司，公司，A A公司公司优点：优点：①结构简单、体积小、成本低，使用功率器件数量最少（12只）②避免了器件的串联，提高了装置的可靠性缺点：缺点：①高次谐波对电网造成污染②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桥级联型桥级联型 – R R公司，完美无谐波公司，完美无谐波优点：优点：①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②完美的输入输出波形，使其能适应任何场合及电机使用③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④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⑤输入功率因数可达0.95以上，总体效率高达97%。

缺点：缺点：①使用的功率单元及功率器件数量较多，装置的体积较大②实现能量回馈和四象限运行困难，且成本较高③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￿4.5～7.5亿左右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IGBTIGBT的历史的历史IGBTIGBT芯片构造的变迁芯片构造的变迁Collector第三代第三代(N-Series)Y1995N+bufferN-driftP+substrateGateEmitterPN+N-driftP+collectorCollectorGate EmitterPN+第四代 (S-Series)Y1998N-driftP+collectorCollectorGateEmitterPN+N-field-stop第五代 (U-Series)Y2002N-driftCollectorGateEmitterPN+第六代 (V-Series)Y2007N+field-stopP+collector平面型沟槽栅型Field-StopNPTPT-EpiIGBTIGBT芯片尺寸的比较芯片尺寸的比较Δ18% / 5yDie size reductionIGBTIGBT模块构造的变迁模块构造的变迁PIM-CE+Solder-free terminalEVK-seriesＮ-seriesEcono PackagePress fit pinpinSpringEcono Package (RoHS, Solder-free terminal)Primary screw PKGStandard screw type Primary solder PKGEuropean thinner & compact PKGCompact/Environment/solder-free PKG2nd Gen.(L/F-series)Y19903rd Gen.(N-series)Y19954~5th Gen.(S,U-series)Y1998~20056th Gen.(V-series)Y2008工业用模块的应用分布工业用模块的应用分布HPM 3300V800-1500A (under dev.)DualXT, EP+Standard 30mm-HEPXT, PCXT, IPMEasy1/2B & Smart (plan)HPM1200V 600-3600A1700V 600-3600APrimePACKTM1200V 600-1400A1700V 650-1400APrimePACKTM is registerd trademarks of Infineon Technology AG, GermanyV V系列的基本概念系列的基本概念1 1 更高的性能更高的性能2 2 更方便使用更方便使用采用采用V系列芯片，系列芯片，进一步降低通一步降低通态压降降VON 和关断损耗Eoff采用高采用高导热DCB基板，改善芯片布局，基板，改善芯片布局，进一步降低一步降低热阻阻提高最大提高最大结温，温，Tj(max) =175oC　 　175oC UL 認定 E82988更便于设计更便于设计高高损坏耐受量，损坏耐受量， 小型化小型化低干扰, 低浪涌电压, 软关断, 高可靠性，标准封装等更便于组装更便于组装 免焊接模块的系列化; 螺旋弹簧式和压接式V V系列的特性改善系列的特性改善V-100A,150AV-75A and smallerPossibly High PowerU-IGBTSourceX-3X4-75A and smallerX4-100,150A25%小形化と損失低減を両立小形化と損失低減を両立 !!V V系列：软关断系列：软关断ConventionalCH1 VCE : 200V/divCH2 IC : 25A/divCH3 VGE : 20V/div VDC=900V, 2xIcIntentionally large L-strayV-IGBTV V系列：更好的系列：更好的RgRg可控性可控性Trench-A100ns7.7W40W-BV RG　増加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）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 V系列：系列：低低浪涌电压浪涌电压VDC=600V800V900V1000VX4VVpeak=784VVpeak=768VD16V1020V964VD56V1168V1060VD108V1252V1152VD100VVDC≧900V时的浪涌电压降低100V以上V V系列：浪涌电压对系列：浪涌电压对RgRg的依赖性的依赖性浪涌电压对门极电阻Rg的依赖性是有峰值的。

测试条件：Vge=±15V, Vcc=900V,Ic=600A,Tj=RTRgoff=2.2Ω2MBI1000VXB-170-50V V系列：低热阻封装（优化布局）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 EP2,3XTXT V-PIM提高功率循环寿命提高功率循环寿命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 (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 substrateCasePower chip (IGBT/FWD)Al-bond wireTj Power cycleTc Power cycleΔTcΔTc功率循环寿命比较功率循环寿命比较Candidate idea; tbd. in future30 40 50 60 70 80 90 富士富士 (标准模准模块） ）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富士 New 2in1 I社品（富士試験）D 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=150oCFuji Experimental results, not official guaranteeΔTjΔTj功率循环寿命比较功率循环寿命比较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规格书概略规格书概略例子：例子：1200V/200A 2in1 模模块块绝对最大最大值一般一般电气特性气特性热特性特性特性曲特性曲线外形尺寸外形尺寸规格书概略规格书概略- -绝对最大值绝对最大值绝对绝对不允不允许许超出超出的数的数值值由于门极采用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=(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ＤＣＢ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）规格书概略规格书概略- -一般电气特性一般电气特性注：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 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-IGBT-电电流流参数参数 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 *Rthjc  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-IGBT-电压参数电压参数Vces_terminaldidtVces_chip  L *阻断电压（Vces）RBSOAVces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！Example 1200V IGBT 1200V×Don’t exceed 1200VVCES(V)ICES(A)Static Voltage is limited by absolute maximum rating. Static Voltage ≠ Dynamic VoltageDynamic Voltage is limited by RBSOA,SCSOAIGBT-IGBT-电压参数电压参数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-IGBT-开关参数开关参数ton: 0％Vge到10％Vce的时间tr: 10％Ic到10％Vce的时间tr(i): 10％Ic到90％Ic的时间toff: 90％Vge到10％Ic的时间tf: 90％Ic到10％Ic的时间16注：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9090％IcIc到1010％VceVce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FWDFWD参数参数*Err  Err_Ic *P sw_FWD  fsw*ErrVdcVdc_nomErr_RgextErr_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_IGBTTj_FWD Tc  P FWD *Rthjc_IGBTTc Tf  P tot *Rthcf热特性热特性热特性（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的热阻）Power lossIGBT,FWDSolderCu foilCeramicCu foilCooling FinBase plateThermal GreaseSolderTj (Junction)Tc (Case)Tf (fin)Rth(j-c)Rth(c-f)热特性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10μm 以下！在螺钉安装位置间，每100mm 的平坦度应控制在50μm 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要求！安装及力矩参数安装及力矩参数注：规格书中给出的安装力矩是推荐值，并非最大值！H H桥级联的核心的核心￿ ￿–￿–￿功率功率单元元功率单元设计IGBT￿￿驱动选型驱动功率PGate=QG*fsw*ΔVPCge=CGE*fsw*￿ΔV2P=PGate+PCge驱动电流Imax=ΔV/(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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，对于高压变频行业建议从开通：￿3~5倍￿；￿关断：￿2~3倍开始进行测试最终以实际测试后优化调整的结果为准U系列在高压行业经验值标准驱动电阻输入电容Rgon/ΩRgoff/ΩCge/nF2MBI100U4H-1704.791510102MBI150U4H-1703.3141510102MBI200U4H-1702.2198.35.3332MBI300U4H-1701.52863402MBI400U4H-1701.1376340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用于高压变频器的用于高压变频器的V V系列系列IGBTIGBT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￿>￿2~3Io;￿Tjop￿<150℃V-IGBT￿Selection￿Map￿–￿6kVVces￿>￿2Vdc;￿Ic￿>￿2~3Io;￿Tjop￿<150℃IGBT￿Driver￿Solutions特性比较特性比较特性比较。