全球對于節能和綠色能源的需求使得馬達變頻驅動在工業應用領域不斷增長，甚至還擴展到民用產品和汽車領域。因此在過去幾年，市場對變頻器的需求量和相應的產量一直在持續增長。隨著產量的不斷擴大和技術趨向成熟，變頻器市場競爭也日益激烈，對產品性價比的要求不斷提高。

　　標準的三相交流驅動變頻器使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）來實現主電路中的6個開關，現在除少量小功率、低成本變頻器采用分立IGBT器件外，一般工業變頻器均采用模塊化IGBT（包括IPM）。模塊化概念為用戶提供了一個采用絕緣封裝且經過檢驗的功率開關組件，從而減輕了設計工作量，改進系統性能，并提高了變頻器的功率等級。

　　但即便使用IGBT模塊，設計上的挑戰依然存在。由于IGBT模塊的惡劣工作條件（在高壓和高溫下對大電流進行開關控制）和半導體器件固有弱點，設計工程師必須在確保IGBT模塊能夠安全工作的同時，發揮其最大性能以實現低成本設計。

　　本文將首先陳述變頻器設計工程師所面臨的主要挑戰，然后介紹來自英飛凌科技的創新IGBT芯片和封裝技術及支持工具，并簡要陳述這些解決方案的優點。

　　變頻器設計面臨的挑戰

　　IGBT能夠安全運行是應用的首要要求。安全運行有兩個基本的條件，超越這兩個條件運行可引起器件的永久性損壞，這兩個條件分別是：

　　1） Vce ≤ Vces，其中Vce是集電極-發射極瞬態電壓，Vces是IGBT芯片的阻斷電壓（數據表上規定為600V/1200V/1700V/3.3kV/6.5kV）

　　2） Tj ≤ Tvj，op，max，其中Tj是IGBT芯片的瞬時結溫，Tvj，op，max（數據表上規定為125℃或150℃）是進行開關工作時所允許的最大結溫

　　要在應用中遵循這兩個條件，必須先理解Vce和Tj是如何建立的。

　　首先，在變頻器電路結構中，IGBT半橋由直流側供電，直流側電壓Vdc幾乎恒定。受電路的電磁場和材料的影響，系統中存在分布電感（見圖1），當IGBT以di/dt的速率將電流關斷時，Vce等于Vdc和一個感應電壓di/dt×Ls之和，即Vce = Vdc + di/dt×Ls，其中Ls是直流側和相關半橋所形成的環路的分布電感。Vdc已由應用中的電源或電池電壓固定，因此必須限制di/dt和Ls來使Vce ≤ Vces。

　　需要注意的是：

　　* di/dt是IGBT芯片的技術特性，它代表IGBT的“軟化度”，受門極電阻Rg的影響，但不完全受Rg控制。

　　* Ls可分成兩個部分，一部分處于相關半橋之外（Ls1），另一部分處于半橋之內（Ls2）。Ls1由半橋外部連接到直流側的布局結構決定，而Ls2則由半橋內的布局結構決定。

　　因此，設計工程師所面臨的挑戰之一是如何調節IGBT關斷時的di/dt，以及如何減小Ls。使用合適的緩沖電路能平衡Ls1，但對Ls2沒有影響。

　　其次，IGBT的Tj是由IGBT的功率損耗、熱阻（結和環境之間）和環境溫度決定的，即Tj = P_loss×Rthja + Ta。如果將Rthja分成Rthjc（結殼之間）、Rthch（管殼和散熱器之間）和Rthha（散熱器和環境之間）三部分，就可以用三個公式來表示Tj，其中Tc是IGBT管殼的溫度，Th是散熱器的溫度：

　　* Tj = P_loss×Rthjc + Tc

　　* Tc = P_loss×Rthch + Th

　　* Th = P_loss×Rthha + Ta

　　當變頻器工作在正弦脈寬調制時，需用IGBT器件的熱阻抗（Zthjc）模型來描述其總體熱特性。Tj是波動的，其波動幅度隨變頻器輸出頻率而變化。

　　但在實際應用中Tj很難測量。為滿足Tj ≤ Tvj，op，max同時最大限度發揮IGBT的能力，需要準確估算Tj，要估算Tj則首先須知道IGBT的功率損耗。IGBT的功率損耗由IGBT芯片工藝、工作條件（即Vdc、輸出電流、開關頻率、調制深度和負載功率因數）和門極電壓、Rg等門極驅動條件決定，所以在正弦脈寬調制情況下IGBT功率損耗的計算十分復雜。

　　因此，設計工程師面對的又一挑戰是如何在考慮到各種相關條件情況下計算IGBT的功率損耗，并使用Zthjc模型來估算Tj的瞬時值。

　　第三，對于像電動汽車（小汽車、公交車）這樣的應用，變頻器的可靠性是一個需要專門考慮的問題，而這基本上是所用IGBT模塊可靠性的問題。為高可靠性而設計的IGBT模塊采用了特殊材料工藝，所以其成本要比標準可靠性的模塊高。因此設計工程師在這一領域所面臨的挑戰是如何將成本保持在可接受的程度，同時滿足應用對可靠性的要求。

　　第四，在中國的一個特殊情況是，日趨激烈的變頻器市場競爭使變頻器產品的上市時間比過去任何一個時候都更加關鍵，這最終導致產品開發時間非常緊迫。而同時由于經濟上的原因，許多國內的變頻器制造廠商對于研發的投入又十分有限。因此對于中國的設計工程師來說，如何使用有限的研發資源在短時間內完成變頻器設計，是他們所面臨的一個特殊的挑戰。

　　多種解決方案幫助完成設計

　　針對變頻器設計工程師所面臨的設計難題，英飛凌科技提供了下列解決方案來支持應用設計：

　　1.創新的IGBT芯片工藝

　　繼第3代溝槽場終止型IGBT（IGBT3：E3、T3）之后，英飛凌現在又推出了三種版本的第4代1200V IGBT（IGBT4），包括

　　* 高功率版本（HiPo）：具有更好的軟化度（關斷時更低的di/dt）和比E3更低的Vcesat

　　* 中等功率版本（MePo）：軟化度和E3相同，但速度更快（更低的Eoff）

　　* 低功率版本（LoPo）：速度比T3快，軟化度也比T3好

　　另外，IGBT4在關斷時的di/dt可完全受Rg控制，這是它的另一個優點。基于軟化度的提高，IGBT4從下面幾個角度降低了變頻器尤其是大功率變頻器的設計難度：

　　* 允許更高的直流側電壓（從而能更好地利用IGBT的阻斷能力）

　　* 簡化了緩沖電路（從而降低了系統成本）

　　* 在相同的直流側電壓和安全容限下，可用較低的Rg值來達到較快的開關速度（從而使開關損耗保持不變）

　　2.創新的封裝技術

　　我們很快還將會推出一種被稱為PrimePACK的全新模塊封裝（見圖2）。

　　PrimePACK采用半橋電路結構，提供兩種封裝尺寸（PrimePACK2和PrimePACK3），分別對應于400A-900A和1400A兩種電流規格，有1200V和1700V兩個系列。作為一種全新的面向中、高功率應用的IGBT模塊系列，PrimePACK的主要特點是減小了封裝電感。基于改進的功率端子布局和內部結構，PrimePACK與現有的IHM 130×140封裝相比其封裝電感減小了60%，顯著降低了減小環路分布電感（Ls）的設計難度。

　　全球對于節能和綠色能源的需求使得馬達變頻驅動在工業應用領域不斷增長，甚至還擴展到民用產品和汽車領域。因此在過去幾年，市場對變頻器的需求量和相應的產量一直在持續增長。隨著產量的不斷擴大和技術趨向成熟，變頻器市場競爭也日益激烈，對產品性價比的要求不斷提高。

　　標準的三相交流驅動變頻器使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）來實現主電路中的6個開關，現在除少量小功率、低成本變頻器采用分立IGBT器件外，一般工業變頻器均采用模塊化IGBT（包括IPM）。模塊化概念為用戶提供了一個采用絕緣封裝且經過檢驗的功率開關組件，從而減輕了設計工作量，改進系統性能，并提高了變頻器的功率等級。

　　但即便使用IGBT模塊，設計上的挑戰依然存在。由于IGBT模塊的惡劣工作條件（在高壓和高溫下對大電流進行開關控制）和半導體器件固有弱點，設計工程師必須在確保IGBT模塊能夠安全工作的同時，發揮其最大性能以實現低成本設計。

　　本文將首先陳述變頻器設計工程師所面臨的主要挑戰，然后介紹來自英飛凌科技的創新IGBT芯片和封裝技術及支持工具，并簡要陳述這些解決方案的優點。

　　變頻器設計面臨的挑戰

　　IGBT能夠安全運行是應用的首要要求。安全運行有兩個基本的條件，超越這兩個條件運行可引起器件的永久性損壞，這兩個條件分別是：

　　1） Vce ≤ Vces，其中Vce是集電極-發射極瞬態電壓，Vces是IGBT芯片的阻斷電壓（數據表上規定為600V/1200V/1700V/3.3kV/6.5kV）

　　2） Tj ≤ Tvj，op，max，其中Tj是IGBT芯片的瞬時結溫，Tvj，op，max（數據表上規定為125℃或150℃）是進行開關工作時所允許的最大結溫

　　要在應用中遵循這兩個條件，必須先理解Vce和Tj是如何建立的。

　　首先，在變頻器電路結構中，IGBT半橋由直流側供電，直流側電壓Vdc幾乎恒定。受電路的電磁場和材料的影響，系統中存在分布電感（見圖1），當IGBT以di/dt的速率將電流關斷時，Vce等于Vdc和一個感應電壓di/dt×Ls之和，即Vce = Vdc + di/dt×Ls，其中Ls是直流側和相關半橋所形成的環路的分布電感。Vdc已由應用中的電源或電池電壓固定，因此必須限制di/dt和Ls來使Vce ≤ Vces。

　　需要注意的是：

　　* di/dt是IGBT芯片的技術特性，它代表IGBT的“軟化度”，受門極電阻Rg的影響，但不完全受Rg控制。

　　* Ls可分成兩個部分，一部分處于相關半橋之外（Ls1），另一部分處于半橋之內（Ls2）。Ls1由半橋外部連接到直流側的布局結構決定，而Ls2則由半橋內的布局結構決定。

　　因此，設計工程師所面臨的挑戰之一是如何調節IGBT關斷時的di/dt，以及如何減小Ls。使用合適的緩沖電路能平衡Ls1，但對Ls2沒有影響。

　　其次，IGBT的Tj是由IGBT的功率損耗、熱阻（結和環境之間）和環境溫度決定的，即Tj = P_loss×Rthja + Ta。如果將Rthja分成Rthjc（結殼之間）、Rthch（管殼和散熱器之間）和Rthha（散熱器和環境之間）三部分，就可以用三個公式來表示Tj，其中Tc是IGBT管殼的溫度，Th是散熱器的溫度：

　　* Tj = P_loss×Rthjc + Tc

　　* Tc = P_loss×Rthch + Th

　　* Th = P_loss×Rthha + Ta

　　當變頻器工作在正弦脈寬調制時，需用IGBT器件的熱阻抗（Zthjc）模型來描述其總體熱特性。Tj是波動的，其波動幅度隨變頻器輸出頻率而變化。

　　但在實際應用中Tj很難測量。為滿足Tj ≤ Tvj，op，max同時最大限度發揮IGBT的能力，需要準確估算Tj，要估算Tj則首先須知道IGBT的功率損耗。IGBT的功率損耗由IGBT芯片工藝、工作條件（即Vdc、輸出電流、開關頻率、調制深度和負載功率因數）和門極電壓、Rg等門極驅動條件決定，所以在正弦脈寬調制情況下IGBT功率損耗的計算十分復雜。

　　因此，設計工程師面對的又一挑戰是如何在考慮到各種相關條件情況下計算IGBT的功率損耗，并使用Zthjc模型來估算Tj的瞬時值。

　　第三，對于像電動汽車（小汽車、公交車）這樣的應用，變頻器的可靠性是一個需要專門考慮的問題，而這基本上是所用IGBT模塊可靠性的問題。為高可靠性而設計的IGBT模塊采用了特殊材料工藝，所以其成本要比標準可靠性的模塊高。因此設計工程師在這一領域所面臨的挑戰是如何將成本保持在可接受的程度，同時滿足應用對可靠性的要求。

　　第四，在中國的一個特殊情況是，日趨激烈的變頻器市場競爭使變頻器產品的上市時間比過去任何一個時候都更加關鍵，這最終導致產品開發時間非常緊迫。而同時由于經濟上的原因，許多國內的變頻器制造廠商對于研發的投入又十分有限。因此對于中國的設計工程師來說，如何使用有限的研發資源在短時間內完成變頻器設計，是他們所面臨的一個特殊的挑戰。

　　多種解決方案幫助完成設計

　　針對變頻器設計工程師所面臨的設計難題，英飛凌科技提供了下列解決方案來支持應用設計：

　　1.創新的IGBT芯片工藝

　　繼第3代溝槽場終止型IGBT（IGBT3：E3、T3）之后，英飛凌現在又推出了三種版本的第4代1200V IGBT（IGBT4），包括

　　* 高功率版本（HiPo）：具有更好的軟化度（關斷時更低的di/dt）和比E3更低的Vcesat

　　* 中等功率版本（MePo）：軟化度和E3相同，但速度更快（更低的Eoff）

　　* 低功率版本（LoPo）：速度比T3快，軟化度也比T3好

　　另外，IGBT4在關斷時的di/dt可完全受Rg控制，這是它的另一個優點。基于軟化度的提高，IGBT4從下面幾個角度降低了變頻器尤其是大功率變頻器的設計難度：

　　* 允許更高的直流側電壓（從而能更好地利用IGBT的阻斷能力）

　　* 簡化了緩沖電路（從而降低了系統成本）

　　* 在相同的直流側電壓和安全容限下，可用較低的Rg值來達到較快的開關速度（從而使開關損耗保持不變）

　　2.創新的封裝技術

　　我們很快還將會推出一種被稱為PrimePACK的全新模塊封裝（見圖2）。

　　PrimePACK采用半橋電路結構，提供兩種封裝尺寸（PrimePACK2和PrimePACK3），分別對應于400A-900A和1400A兩種電流規格，有1200V和1700V兩個系列。作為一種全新的面向中、高功率應用的IGBT模塊系列，PrimePACK的主要特點是減小了封裝電感。基于改進的功率端子布局和內部結構，PrimePACK與現有的IHM 130×140封裝相比其封裝電感減小了60%，顯著降低了減小環路分布電感（Ls）的設計難度。

　　改進的封裝設計還為PrimePACK帶來了另外兩方面的優點：

　　1） 通過改進芯片的布局和基板設計減小了熱阻。與IHM 130×140封裝相比，PrimePACK在安裝面積減小14%的情況下將熱阻減小了30%

　　2） 通過改進焊線工藝，使Tvj，op，max可定義在150℃，這比大多數現有封裝的指標高出25℃

　　封裝技術的創新不僅提高了IGBT模塊的散熱能力，還提高了其在功率循環（PC）和熱循環（TC）能力方面的可靠性。隨著焊線工藝的改進，具有150℃ Tvj，op，max的IGBT模塊能夠在相同Tj下提供更高的PC能力，或在更高的Tj下保持相同的PC能力。此外，借助陶瓷襯底和基板材料的創新，IGBT模塊的TC能力也得到提高，同時將成本控制在可接受水平以內。所有這些都有助于解決電動汽車應用領域設計工程師所面臨的難題，即如何選擇標準成本的IGBT模塊來達到所需的可靠性。

　　3.用于器件選型的計算程序

　　英飛凌科技提供了一個名為IPOSIM的基于Excel的計算程序。IPOSIM利用數據表，按用戶設置的工作條件、Zthjc模型和正弦脈寬調制工作原理計算IGBT和續流二極管的功率損耗和溫度。根據用戶設定的Tj上限及對每個IGBT模塊所規定的RBSOA限制，IPOSIM可以列出給定工作條件下滿足上述限制的IGBT模塊清單。IPOSIM還能計算被選中的模塊在不同工作條件下所能提供的最大輸出電流，并幫助用戶確定所需的散熱器熱阻規格和所允許的最大環境溫度。此外，該程序還以圖表的形式給出計算結果，便于用戶進行分析，它甚至能對一組連續變化的工作點進行計算。高級用戶能利用IPOSIM的數據庫在IPOSIM中創建新的型號，或在實際條件與數據表測試條件不同時按實際條件進行計算。最新版本的IPOSIM還提供了一項新的功能，使用戶能夠對四個不同類型的IGBT模塊就電流輸出能力隨開關頻率變化的關系進行比較。

　　IPOSIM將設計工程師從繁重的計算工作中解放出來，并幫助他們合理地選擇IGBT模塊類型。雖然它只是一個理論計算程序，但可以給設計優化和定量分析帶來極大的方便。該程序可從英飛凌網站免費下載。

　　4.評估板

　　評估板是模塊制造商針對待評估IGBT模塊設計并經過測試的應用電路，具有門極驅動和IGBT保護等功能。提供評估板主要出于兩個目的：

　　1） 促進和加速用戶對IGBT模塊的測試過程

　　2） 提供模塊外圍電路參考設計

　　除了評估板，我們還向用戶提供全套的設計文檔，以便在變頻器設計工程師面對緊迫的開發時間和有限研發資源時使他們能夠有一套行之有效的解決方案。

　　結論

　　針對如何處理di/dt、寄生電感、損耗及溫度計算、可靠性要求、緊迫的開發時間和可用資源等一系列設計挑戰，我們提供了多種解決方案，其中包括在器件層面采用創新的IGBT模塊技術、在軟件層面提供多功能計算程序及在系統層面提供評估板。