1  引言

    在变频器的发展中，其功能在不断的提升，从早期的V/F控制，到目前成熟的矢量控制。变频器控制的响应速度和精度等性能指标都得到了巨大的提升^[1]。而随着电机矢量控制算法的成熟，以及变频器应用领域的不断扩展，越来越多的厂家开始重视变频器的功率密度。变频器的功率密度，即输出功率与体积的比例，高功率密度的变频器能够在相同的输出功率下，缩小体积，或者在相同的体积下，提升变频器的输出功率。在系统应用上，高功率密度的变频器能够减小整机系统的安装占地面积，或者实现变频器的分布式安装，同时也有利于系统成本的降低。

从低压变频器来看，汇川的目前的主流变频器MD500系列，其相对于上一代的MD380，其体积减小了30%，相应的功率密度也提升了30%^[2]。功率密度的提升不仅仅反映在低压变频器设计中，也在高压变频器的发展中体现，以西门子最新发布的Sinamics GH180高压变频器为例，其占地面积相较于同类产品减小了40%^[3]。

新一代的变频器设计中，功率密度得到了越来越多的关注，而如何满足变频器的这种功率密度的提升的要求。英飞凌的新一代的微沟槽技术的IGBT产品-IGBT7，给出了完美的答案。本文从变频器系统设计的角度，介绍了新一代的IGBT7的技术特点及系统设计考虑，并给出相应的IGBT7模块选型，用于下一代变频器的设计。

2  变频器的拓扑和功率密度分析

在低压变频器的设计中，主流拓扑仍为三相桥式拓扑，其结构包括整流桥、制动单元、逆变桥，如图1所示。整流桥多采用低导通压降的慢速二极管，而逆变桥多采用IGBT实现，另外制动单元也采用与逆变桥相同技术的IGBT实现。

图1  三相桥式拓扑示意图

从拓扑发展的角度评估，变频器的拓扑发展相对缓慢，在光伏、充电桩等电源类的应用中，三电平拓扑已经大量使用。而在低压变频器的应用中，两电平桥式拓扑仍是主流。在中高压的变频器，存在多电平或者级联式拓扑，但应用的范围狭窄，仅限于1140V以上的变频器。这样变频器的功率密度的提升，很难从拓扑应用的方向上提升，而更加倚重于系统设计以及功率器件的自身的发展。

因此变频器的系统设计，需关注多种设计因素来提升功率密度，如IGBT模块的损耗、散热系统、器件的封装、PCB的尺寸，甚至PWM的发波方式、电机控制的算法优化等等，而其中最相关的则是IGBT模块的损耗。在变频器的电路结构中，损耗来自于主功率器件IGBT、辅助电源、主电容、上电缓冲电阻、上电缓冲继电器、数字电路等几个方面。通过分析及实测相关电路部分的损耗、主功率器件的损耗占到了逆变器损耗的80%^[4]，所以如果能够降低主功率器件的损耗，对于变频器的功率密度的提升至关重要。

在目前采用的变频器的主功率器件、IGBT模块，特别是IGBT4模块仍是主流设计。而英飞凌公司推出的新一代IGBT7，为大幅提升变频器的功率密度带来可能。

3 IGBT7的技术特点及相应的功率密度提升设计

英飞凌的新一代IGBT7采用了最新的微沟槽技术，从而带来IGBT更优化的特性，体现在如下几个方面：导通损耗降低到业界最小的水平；运行结温采用了动态结温的定义，并将最高运行结温提升到了175°C；在IGBT的开关特性上，也提供了更易控制的dv/dt的可控性，提供更简化的单电源驱动方式。充分利用这些特性，能够带来变频器功率密度的极大提升^[5]。

3.1 低导通损耗

IGBT7采用了微沟槽栅技术。微沟槽栅技术是新一代的IGBT技术，图2是IGBT4和IGBT7的结构示意图。从图中可以看到，IGBT7的门级部分采用多个窄沟槽单元并联构成，而以前的IGBT4采用了一个整体的沟槽设计。经过这种设计的改变，能够大幅优化IGBT沟槽中的漂移区中载流子的分布，从而提高漂移区的电导性，在外特性上，可以大幅降低IGBT的导通电压，减小IGBT的通态损耗。

图2  IGBT4和IGBT7的结构示意图

如图3的IGBT的芯片特性图所示，图的横轴是通态导通电压，竖轴是关断损耗，综合考虑这两个损耗，IGBT7的整体损耗特性相对于IGBT4都更加靠近坐标轴的原点，反映了新一代的IGBT7的整体损耗特性的降低。在关断损耗上，其略微降低，在导通损耗上，其降低了约20%。从而带来变频器的整体损耗的降低。

图3  IGBT7的损耗分布示意图

利用IGBT7的优异的导通损耗的表现，可以带来变频器的功率密度的极大提升。从易用性的设计角度，可采用IGBT7对于IGBT4做同电流和同封装的直接替换，这样可以减小IGBT的导通损耗，从而降低变频器的整体损耗。而从获得逆变器的最高功率密度的设计角度考虑，就需要分析逆变器的实际工况，从适配变频器工况的角度来设计。通常，变频器的工况可以分为启动、恒速运行、过载等工况，在启动工况时，变频器的输出电流大、输出频率低，此时，IGBT模块的结温最高，所以这种低速启动的工况也是变频器使用的IGBT模块的电流选型限制点。考虑到这种工况下电机的输出转速处于低速，这样就可以降低变频器的开关频率，而不会影响电机的控制性能，例如：低频启动时，IGBT的开关频率从4~8K切换到2K。采用这种动态调整开关频率的策略可以降低IGBT模块的总损耗和结温。考虑到IGBT7比IGBT4的通态损耗更低，IGBT7在这种设计下，可以降低的总损耗更加可观，从而可以采用额定电流更小，或者封装更小的IGBT7模块做IGBT4模块的替换^[6]。

3.2  175°C结温

在设计中，保证IGBT在安全的结温范围内运行，是IGBT的安全设计的重点，而在器件的本身设计方面，从IGBT3的125°C到IGBT4的150°C，再到IGBT7的175°C，IGBT的最高运行结温一直在提升。与以前的IGBT3，IGBT4不同的是，IGBT7采用了一种新的结温定义方式，将IGBT的结温定义与工况相结合，在稳态运行时，最高结温不超过150°C；而在过载时，最高结温不超过175°C。采用这种依据工况的结温定义方式，可以与变频器应用更好的结合，从而更大程度的利用IGBT，使得变频器的功率密度得到提升。

图4给出了IGBT7的结温定义与IGBT4的对比，从图中可以看到，IGBT7的最高结温175°C出现的时间需要小于1分钟，而最高结温与其他时间的占空比要小于20%。例如，每300s的运行时间中，可以允许60s的175°C的持续时间。

图4  IGBT7的结温定义示意图

在实际的逆变器过载时，因为散热系统的热容效应的存在，使得电流出现过载时，IGBT的结温不会立刻变化到最大值，而呈现依据热阻热容的时间常数的上升过程，从图5的仿真图可以看到。

所以IGBT7的175°C的结温定义，可以完全满足变频器的电流过载的1分钟的时间要求。充分利用IGBT7的这种175°C的结温特性，可以极大的提升变频器的功率密度。

3.3  优化的dv/dt特性

变频器的驱动系统中，逆变器的输出电压为PWM的方波信号，这种快速变化的电压信号，会在电缆和电机系统中引起若干问题。第一，过快的电压变化率，或者过长的电缆，都会引起电缆中的电压反射^[7]，从而在电机侧的线缆端口引起两倍直流母线电压的尖峰。这种尖峰会破坏电缆间的绝缘，从而引起驱动系统的失效。第二，过快的电压变化率也会在电机内部的绕线上引起电压反射，更严重的情况下，产生谐振振荡，从而使得电机内部出现局部高温热点，破坏电机内部的绝缘，最终使得电机损坏^[8]。第三，PWM的方波电压，会在电机的轴承上产生共模电流，当电压的变化率很大时，共模电流的幅值也会很大，从而破坏轴承，引起电机的失效。

图6  电机侧端口的电压反射波形

为了应对实际应用中的电压变化率过快的问题，典型的变频器的端口电压变化率都设计在5kV/µs以下，通过调整IGBT的开通和关断电阻，实现变频器端口的电压变化率的调整。而这种调整，也意味着IGBT的开关损耗的变大，从而在变频器的功率密度设计上产生损失。

而新一代的IGBT7，在芯片设计的时候就考虑到变频器的这种需求。IGBT7采用比规格书略大的驱动电阻，可以实现开通和关断的dv/dt小于5kV/µs。并且在典型驱动电阻的调整范围内，可以更容易实现开通过程中的电压变化率在2kV/µs~8kV/µs之间调整。

3.4  简化的单电源驱动

变频器的功率密度的提升，不仅仅反应在功率器件的选型和设计上，也体现在PCB相关的电路的设计上。如何能够简化PCB上的电路设计，从而缩小相应的PCB的面积，也是提升变频器功率密度的重要方面。在驱动电路的相关设计上，IGBT7也能够简化相应的设计，IGBT7通过优化门级输入电容的设计，能够支持IGBT模块门级驱动电源不采用负电源设计，也就是单电源的设计，从而简化变频器的驱动电源和驱动电路的设计。

图7  0V~15V驱动电压下的IGBT寄生导通现象测试图

图7采用典型的半桥电路测试IGBT7的寄生导通情况，测试的条件采用了比较的极端的条件，测试模块为25A的IGBT7的模块，开通电阻为0欧姆，使得IGBT的开通速度最快，关断电阻为200欧姆，使得寄生电流产生的寄生导通电压最高，测试电流为1/10的额定电流，使得IGBT的开通速度最快，从测试的波形可以看到，当上桥的IGBT处于关断状态，而此时下桥的IGBT开通时，在上桥的IGBT的门级会产生寄生导通电压，而IGBT7 25A芯片的导通电压仅仅只有2.5V，远远小于IGBT7的典型门级阈值电压5.8V，从而保证IGBT7可以在单电源驱动时安全运行。

利用IGBT7的这个特性，在变频器的电源设计上，可以简化驱动电源和驱动电路的设计。传统上IGBT的电源电路采用负电源设计，所以三相桥式电路采用四路电源，分别提供三路上桥电源和一路下桥电源。这样的电源设计，需要体积大的变压器和很多的外围电路。而利用IGBT7的单电源驱动特性，驱动电源可以采用一路电源驱动三相桥的下桥，而上桥采用自举供电的方式，从而极大的简化变频器的电源设计，进而提升变频器的功率密度。

4  11kW以下的IGBT7的选型对应

目前IGBT7的产品，已经量产了全系列的中小功率的产品。相对于IGBT4的产品，IGBT7的封装所覆盖的最大电流范围进一步提升，如表1所示。

其中，Easy2B的1200V PIM封装的电流提升到了50A，所以仅通过Easy1B和Easy2B两种封装，可以在11kW以下的变频器形成归一化设计，相对于以前IGBT4的设计方案，可以大大提升功率密度。 

图8  Econo2, Easy2B, Easy1B封装示意图

以3.7kW的重载型变频器为例，传统上采用25A的IGBT4模块FP25R12W2T4，如采用IGBT7，可以采用15A的模块FP15R12W1T7，从而在体积上从Easy2B缩小到Easy1B。以11kW的重载型变频器为例，传统上采用50A的IGBT4模块FP50R12KT4，如采用IGBT7，并结合动态开关频率调节的软件优化，可以采用50A的模块FP50R12W2T7，这两个模块虽然标称电流相同，但体积上可以从Econo2缩小到Easy2B。考虑到跟随模块尺寸减小后，散热器的尺寸也可以相应减小，变频器的体积可以减小，功率密度可以得到提升，系统成本也能得到降低。

表1给出了典型条件下的IGBT7的对应选型表，这里采用了典型的设计条件进行了仿真验证。在实际使用IGBT7时，因开关频率，散热条件，驱动电源设计，电阻选型的不同，可以采用英飞凌官网的仿真软件IPOSIM依据具体设计条件进行选型评估。更大电流的，以及更多封装（Econo3，EconoDual3）的IGBT7的模块正在陆续推出中，对于中大功率的变频器设计，IGBT7也能够带来功率密度的提升。

表2  IGBT7选型对应表

5  结论

综上所述，采用英飞凌新一代的IGBT7的模块，可以减小IGBT的导通损耗，提升过载时的IGBT运行结温到175°C，更容易的进行驱动电阻的选型和IGBT开关dv/dt的设计，可以采用单电源的驱动电源设计。综合这些特点，在新一代的变频器设计中，可以采用更小封装的IGBT模块，具有更紧凑的散热器和驱动PCB板的设计，从而极大提升变频器的功率密度。

参考文献：

[1] 李永东.交流电机数字控制系统[M]. 北京：机械工业出版社，2002

[2] 汇川官方网站：http://www.inovance.com/content/details102_397.html

[3] 西门子发布积最小的Sinamics完美无谐波GH180高压变频器[J]. 变频器世界, 2017第4期:27

[4] 刘龙球. 基于矢量控制的变频器损耗分析[A]. 2019年中国家用电器技术大会

[5] Infineon AN2018-14 TRENCHSTOP™ 1200V IGBT7 Application Note[Z]

[6] 英飞凌工业半导体. 突破—IGBT7的高功率密度设计实例[Z]. 2020年5月13日

[7] 薛高飞. PWM脉冲传输电压反射抑制策略在大功率感应电机驱动中的应用[J]. 电工技术学报，2013,10

[8] 冯志华. 变频器与长电缆相连时电机的失效现象的分析[J]. 电气传动，2002第5期