具備驅(qū)動(dòng)功能和保護(hù)功能的IGBT模塊IPM(Intelligent Power Module)，可以更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)變頻器的小型化、低損耗化、高性能化嗎？

富士電機(jī)新開發(fā)的第7代“X系列”IGBT-IPM(X系列IPM) 可以做到。

X-IPM產(chǎn)品線

下表展示的是X系列IPM的產(chǎn)品線。開發(fā)這條產(chǎn)品線的依據(jù)總結(jié)為2點(diǎn)：滿足市場小型化需求、適應(yīng)市場大電流化需求。

（標(biāo)*的為正在開發(fā)中的產(chǎn)品）

1、滿足市場小型化需求

為滿足市場的小型化要求，X系列IPM新增加了“P639”、“P644”、“P638”三種封裝。

新封裝“P639”

采用RC-IGBT（Reverse Conducting-IGBT）芯片技術(shù)，與傳統(tǒng)封裝中最小尺寸的“P629”相比，銅底板面積進(jìn)一步減少了27%。

“P644”

與傳統(tǒng)封裝的“P626”外形尺寸相同，但該封裝使7in1成為可能。

“P638”

與傳統(tǒng)的同一電流容量封裝的“P630”相比，“P638”封裝銅底板面積減少了54%。

2、適應(yīng)市場大電流化需求

X系列IPM為適應(yīng)市場大電流化需求，將大額定電流產(chǎn)品加入到了產(chǎn)品陣容之中。

在傳統(tǒng)的“V系列”IGBT-IPM（V系列IPM）中， 額定電壓值600V的產(chǎn)品其額定電流最大到400A，額定電壓值1200V的產(chǎn)品其額定電流值最大到200A。

而X系列IPM，額定電壓值650V的產(chǎn)品可擴(kuò)充至450A，額定電壓值1200V的產(chǎn)品甚至可擴(kuò)充至300A。

通過新封裝的系列化和現(xiàn)有封裝額定電流的擴(kuò)大，有助于所搭載裝置實(shí)現(xiàn)小型化。

主要功能和特點(diǎn)

1、降低損耗（高效率化）

- 改善電力轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換效率

為改善電力轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換效率，降低IPM 的損耗非常重要。

△ IGBT 芯片截面結(jié)構(gòu)比較

與第6代IGBT相比，

通過讓芯片厚度變薄，改善導(dǎo)通電壓（集電極與發(fā)射極飽和電壓）和關(guān)斷損耗。

通過優(yōu)化表面的溝槽型柵結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)提高表面?zhèn)容d流子濃度的IE(Injection Enhanced)效果，改善導(dǎo)通電壓和關(guān)斷損耗的權(quán)衡關(guān)系。

-表面結(jié)構(gòu)更優(yōu)化

與標(biāo)準(zhǔn)的IGBT 模塊中搭載的IGBT相比，IPM用IGBT表面結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。該方法是內(nèi)置了短路保護(hù)功能才得以實(shí)現(xiàn)的IPM特有的改善方法。

上圖所示為集電極與發(fā)射極飽和電壓VCE(sat) 和關(guān)斷損耗Eoff的權(quán)衡。

關(guān)斷損耗相同時(shí)，IPM用第7代IGBT導(dǎo)通電壓比IPM用第6代IGBT降低了0.25V，比模塊用第7代IGBT降低了0.15V。

但是，通過表面結(jié)構(gòu)的微細(xì)化降低導(dǎo)通電壓后，也會(huì)使得短路電流增加。

而IPM內(nèi)置的短路保護(hù)使得保護(hù)速度更快，因此，權(quán)衡得到了進(jìn)一步改善。

上圖所示的是75A/1200V的IPM在PWM變頻器動(dòng)作時(shí)的損耗仿真結(jié)果。

通過上述特性改善，與V系列IPM相比，7G(X系列IPM)的總損耗在載波頻率為5kHz時(shí)改善了約14%；在載波頻率為10kHz時(shí)改善了約14.7%。

2、保護(hù)功能特性

上表所示為X系列IPM與原有V系列IPM保護(hù)功能的比較。

X系列IPM的特點(diǎn)為短路保護(hù)功能的高速化與報(bào)警輸出功能的改善、內(nèi)置溫度預(yù)警輸出功能、報(bào)警時(shí)制動(dòng)部分獨(dú)立動(dòng)作。

關(guān)于業(yè)界率先搭載的報(bào)警原因識(shí)別功能，在X系列IPM中，通過將每個(gè)報(bào)警原因的識(shí)別范圍從0.1ms擴(kuò)大到1.1ms以上，來提高報(bào)警原因識(shí)別功能的識(shí)別性。從而優(yōu)化報(bào)警輸出時(shí)的原因分析、原因調(diào)查的精確度。

此外，作為報(bào)警輸出的新功能，X系列IPM設(shè)置了下橋臂保護(hù)動(dòng)作時(shí)制動(dòng)單元IGBT的獨(dú)立動(dòng)作。

原有IPM的下橋臂一旦檢測到異常并輸出報(bào)警，其控制邏輯就會(huì)停止下橋臂所有輸出動(dòng)作。然而此時(shí)因制動(dòng)單元的動(dòng)作也已停止，所以無法通過制動(dòng)電路釋放旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)中產(chǎn)生的能量，導(dǎo)致存在P-N間電壓上升的問題。

而X系列IPM下橋臂的變頻器單元，在檢測到異常并輸出報(bào)警時(shí)制動(dòng)器單元依舊可以動(dòng)作，從而抑制電機(jī)的能量回饋引起的主電源P-N間電壓的上升，防止半導(dǎo)體器件的過電壓破壞。

并且，當(dāng)制動(dòng)單元異常時(shí)，也可保護(hù)制動(dòng)單元和其他下橋臂的變頻器單元。

3、溫度預(yù)警輸出功能(適于部分機(jī)型)

X系列IPM在業(yè)界率先搭載了溫度預(yù)警輸出功能。一旦它監(jiān)視到IGBT芯片超過了規(guī)定溫度，那么芯片過熱的狀態(tài)將作為警報(bào)被通知到IPM的外部。

△ 溫度預(yù)警輸出功能的動(dòng)作波形

上圖為溫度預(yù)警輸出功能的動(dòng)作波形。

IGBT的芯片溫度超過175℃時(shí)會(huì)觸發(fā)過熱保護(hù)，輸出預(yù)警信號(hào)的同時(shí)停止開關(guān)動(dòng)作。

另一方面，觸發(fā)溫度預(yù)警輸出時(shí)，可繼續(xù)IGBT的開關(guān)動(dòng)作。

具體而言，當(dāng)機(jī)床、電梯等裝置出現(xiàn)冷卻能力不良（散熱片堵塞、風(fēng)扇故障、潤滑劑用完等）、X系列IPM內(nèi)部的IGBT芯片溫度超過150℃時(shí)，即向裝置端輸出溫度預(yù)警信號(hào)。

裝置接收到信號(hào)后，可通過降低施加于IPM的負(fù)載電流等方法，使IGBT的芯片溫度低于175℃，避免裝置動(dòng)作停止，繼續(xù)運(yùn)行，可在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)進(jìn)行裝置維護(hù)。

4、高溫運(yùn)行化與降低損耗的效果

下圖是X系列IPM 與V系列IPM運(yùn)行溫度的對(duì)比。

X系列IPM連續(xù)運(yùn)行時(shí)的Tvjop從V系列IPM的125℃擴(kuò)大到了150℃，最大芯片接合溫度Tvjmax從V系列的150℃擴(kuò)大到了175℃。

為實(shí)現(xiàn)這樣的高溫運(yùn)行，X系列IPM也使用了高耐熱凝膠和高可靠性焊接等技術(shù)的第7代封裝技術(shù)。

此外，內(nèi)置于IPM的控制IC在不易受溫度影響的電路方式和高溫時(shí)電遷移的基礎(chǔ)上進(jìn)行了布局設(shè)計(jì)，使高溫下的運(yùn)行成為了可能。

這樣設(shè)計(jì)最直觀的優(yōu)點(diǎn)就是，在電力轉(zhuǎn)換裝置中，可應(yīng)用于比原來更嚴(yán)格的負(fù)載條件和低散熱設(shè)計(jì)。

下圖是IPM在該變頻器工況輸出電流與芯片結(jié)溫的對(duì)比：

X系列IPM通過擴(kuò)大連續(xù)運(yùn)行時(shí)的IGBT芯片結(jié)溫和降低損耗，輸出電流增加約31%（與V系列IPM相比）。

目前X系列IPM的應(yīng)用手冊(cè)（中文版）已在集團(tuán)官網(wǎng)正式上線。

有關(guān)X系列IPM的產(chǎn)品線、應(yīng)用注意事項(xiàng)、推薦電路等信息都可在應(yīng)用手冊(cè)中獲取到。

    Fuji Electric    

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