IGBT在提高电机驱动效率中的作用

2023-07-17

随着人们越来越关注电机在所有应用中的运行效率，对高效驱动器的需求变得越来越重要

作者：Bourns，Inc.半导体产品线总监Jennifer Joseph
这些相同的电机应用正在推动使用电机驱动器的设计，例如用于电动汽车、泵和风扇的设计，以降低总体成本并降低能耗。因此，为电机及其驱动器选择高效器件，并确保每个设备都适合特定应用的规格变得更加关键。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种公认的开关器件解决方案，可满足电机驱动应用中更高电压/更高电流和低频率的要求。由于这些电机需要最大限度地提高效率，并且许多时候需要强大的安全工作区（SOA）和短路额定值，因此建议使用带有共封装快速恢复二极管（FRD）的IGBT。

本文概述了IGBT给电机驱动设计带来的优势。特别是，它介绍了性能和效率目标、电流处理和峰值电压额定值如何影响IGBT的选择，以及了解短路耐受时间的重要性。

电机驱动设计中的IGBT

电机驱动设计通常使用AC电源供电，并根据用户输入将其应用于电机（图1）。功率因数校正整流器是使用IGBT制成的，类似于不间断电源（UPS）中使用的整流器。电机制动电路由IGBT组成，IGBT耗散电机的功率，或者用于在电机停止以实现再生制动时将多余的能量输送回AC输入。在指定的电压和频率下，电机驱动逆变器将存储在电容器中的直流电压能量改变为交流波形，以便将电机控制在所需的速度和扭矩。

图1：图示了具有功率因数校正（PFC）输入整流器的典型电机驱动设计

为了在电机驱动设计的各个部分中保持IGBT低于其SOA额定值，必须从晶体管封装中去除热量。出于这个原因，设计者应该评估封装在较小封装中的IGBT，这些封装具有增强的散热功能。例如，IGBT在热效率TO-247封装中可用，该封装具有为IGBT和FRD中的开关瞬态和正向传导引起的功率损耗提供有效散热的能力。
在电机控制应用中，设计者需要考虑功率耗散对系统范围的影响，因为环境温度很高，气流较少或没有。而且，使用经过高效优化的IGBT进行设计意味着它们产生的需要耗散的热量更少。减小IGBT尺寸的其他好处包括更低的成本以及简化热管理设计的能力。
开关和传导性能
IGBT的器件结构决定了其效率和性能。具有不对称结构的先进IGBT有助于提高电机控制应用中的导通损耗和开关速度。这种结构的关键属性是由n+型缓冲区创建的场停止层，该缓冲区添加在n-漂移区下方和下部p-掺杂层上方。该缓冲区的加入支持了电场，并允许更薄的n漂移区，这反过来又有助于显著降低传导损耗。
开关损耗（E_off）和传导损耗（V_CE(sat)）之间的总体折衷如图2所示。这说明了为什么为了指定合适的IGBT器件解决方案，了解低频与高频系统要求是必要的。在许多新的应用中，使用先进的沟槽栅场停止（TGFS）技术的IGBT提供了更高的单元密度，使其能够提供更高的V_CE(sat)/E_off曲线性能。

图2：显示了开关损耗（E_off）和传导损耗（V_CE(sat)）的权衡。集成了先进TGFS技术的IGBT（如Bourns IGBT离

电机控制应用中的短路

在恶劣条件下运行的电机控制应用多次对IGBT施加高应力，从而导致瞬态短路条件。这些情况还可能导致IGBT开关经历从DC电压总线到地（作为击穿电流）或穿过一个电机相到另一相或到地的短路路径。因此，根据最终应用检测故障所需的时间间隔，所选IGBT必须能够承受这些故障。电动机通常能够在相对长的时间内（毫秒到秒）吸收非常高的电流水平；然而，通常在电机驱动逆变器中指定的IGBT具有非常短（微秒）的电路耐受时间。为了缓解这一问题，Bourns等供应商设计了具有10µs短路耐受能力的特定IGBT型号。
IGBT在5µs范围内提供了更高的短路电流水平和更低的短路耐受时间，其好处是降低了传导损耗，这也有助于降低总体BOM成本。幸运的是，对于电机控制设计来说，IGBT技术的进步可以弥补短路耐受时间的一些差异。例如，一些最新的IGBT提供更高的跨导和更低的热阻，从而导致更低的传导损耗和更高的效率。这些优点甚至可以通过具有减少的短路耐受时间的IGBT来实现。

评估IGBT权衡
通过较低的开关损耗选择具有高开关频率的IGBT器件将带来较高的导通损耗。而且，更高的传导损耗导致更高的功率耗散，这需要更大且笨重的散热器。这导致增加了整个系统的成本，并给设计增加了不希望有的空间。相反，具有较低导通损耗的IGBT器件在较低频率下有效地工作，但其短路耐受能力降低。这种权衡如图3所示。

图3：参考相关安全操作区域，电机控制设计中传导损耗、开关损耗和短路耐受能力的权衡

安全操作区（SOA）注意事项
选择在其电流和电压最大值附近运行的IGBT需要仔细考虑如何将这些参数安全地保持在数据表规范内。主要问题应该是将集电极电流保持在最大值以下，同时将集电极到发射极的电压保持在数据表值以下。
当在正向偏置安全工作区（FBSOA）的正向偏置条件下工作时，基于脉冲宽度和热设计的阻抗可满足最大脉冲集电极电流规范。FBSOA定义了最大集电极-发射极电压的最大饱和集电极电流，该电压通常用于电感负载。在反向偏置安全工作区（RBSOA）的反向偏置条件下，最大电流是关断期间集电极和发射极之间峰值电压的函数。为了在最高结温下保护快速恢复二极管（FRD），必须遵守最大限值。

结论
由于其较小的芯片尺寸能够实现更高的电流密度设计，因此在电机控制应用中为逆变器指定IGBT可以使设计者达到较低的系统成本目标。此外，设计者需要寻找先进的分立IGBT，这些IGBT具有支持更高温度操作所需的功能，并提供增强的散热能力。这些较新的器件，包括Bourns最新的BIDx IGBT系列，提供了一种热效率设计，结合了较低的运行损耗、更大的过载和更高的短路电流耐受能力。其结果是为电机控制应用提供了显著增强的开关解决方案。
如前所述，需要优化以在导通损耗和开关损耗之间平衡IGBT。根据最终应用中使用的电机类型，根据特定应用要求进行调整也很重要。对于大多数电机控制应用，采用沟槽栅极场截止（TGFS）技术的额定电压为600 V/650 V的IGBT和紧凑型TO-247封装中的共封装FRD被认为是理想的器件解决方案。在采购IGBT时，与上一代平面IGBT相比，这些器件功能提供了更高的热性能、更低的V_CE(sat)，并由于更低的总功耗而提供了高效率，同时提供了高可靠性。

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IGBT在提高电机驱动效率中的作用

本文概述了IGBT给电机驱动设计带来的优势。特别是，它介绍了性能和效率目标、电流处理和峰值电压额定值如何影响IGBT的选择，以及了解短路耐受时间的重要性。

电机驱动设计中的IGBT

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