隨著國家「雙碳」政策的推進，大力推廣節能減排技術已在各行業逐步深化。在高能耗的工業應用中，透過變頻器控制電機調速可以節能約15-40%，具有巨大的經濟效益，因此一直是節能減排的重要措施。作為通用變頻器重要的細分產品，690V變頻器主要應用於冶金、石油、造紙、港口大型起重設備和船舶等領域。英飛凌上一代的1700V EconoDUAL™ 3 IGBT4模組已經在690V變頻器中得到了廣泛應用。隨著晶片技術的發展和變頻器系統功率密度的提升，英飛凌基於最新的1700V IGBT7晶片和EC7二極體晶片推出了新一代的EconoDUAL™ 3 IGBT7模組。
產品概述
由於晶片電流密度的提升，IGBT7模組有6個電流等級和8種產品，如下表所示。
■ 更高電流等級：除了與IGBT4的4個電流等級相容，IGBT7還提供750A和900A兩款更高電流等級的產品，可以進一步提升系統的功率密度。
■ 加強反並聯二極體：此外，FF750R17ME7D_B11配置了1200A的反並聯二極體晶片，更適合零功率因數和負功率因數的應用情況，例如SVG，以及使用IGBT模組的AFE整流單元。
■ 直接水冷設計：FF900R17ME7W_B11 的銅基板採用了直接水冷設計，可以進一步提升模組的散熱效率和系統的功率密度。
性能優勢
1700V EconoDUAL™ 3 IGBT7除了擁有更豐富的產品系列和更高的電流等級之外，還有哪些獨特之處可以助力提升690V變頻器的系統價值？且聽我一一分析。
1. IGBT7 的 VCE 飽和電壓更低
以FF600R17ME4_B11和FF600R17ME7_B11為例，當Ic為600A，結溫為150℃時，這兩種元件的IGBT飽和壓降分別為2.45V和1.95V。FF600R17ME7_B11比FF600R17ME4_B11低0.5V，約低20.4%。
2.IGBT7 的動態特性更佳
由於EC7二極體晶片的特性較為柔和，IGBT7晶片的開通dv/dt可以更高，開通損耗也更低。在相同的測試平台上，IGBT7模組FF900R17ME7_B11的開通dv/dt最高可達9.4kV/us，而IGBT4模組FF600R17ME4_B11僅為3.4kV/us（綠色實線對應的dv/dt最大值），如圖a所示。主要原因是在圖b中，FF600R17ME4_B11的二極體EC4在3.4kV/us時已經出現了較為明顯的關斷電壓震盪，從而限制了IGBT開通速度的提升。在相同的關斷電阻下，FF900R17ME7_B11的dv/dt比FF600R17ME4_B11更大，有助於降低關斷損耗。
3.IGBT7的工作結溫更高
在下圖a中，IGBT7允許的最高工作結溫為175℃，持續時間t1最長為60秒，占空比D最大最高為20%。當溫度週期T為300秒時，t1最大正好是60秒。此時，IGBT7的結溫時間曲線與變頻器典型的重過載電流時間曲線重合，如下圖c所示，因此可以根據IGBT7的150℃長期結溫和175℃過載結溫來評估變頻器的重過載工況。與下圖b中IGBT4的最高工作結溫150℃相比，IGBT7額外的25℃過載結溫可以進一步提升系統的功率密度。
4. IGBT7 的 EconoDUAL™ 3 的功率端子散熱效果更佳
隨著系統功率密度的提升，EconoDUAL™ 3封裝的交直流功率端子的溫升可能會成為系統設計的瓶頸。為此，新一代的EconoDUAL™ 3封裝優化了內部結構，增加了DCB與功率端子之間的銅綁定線數量，以提升散熱效率，如下圖所示。
5. IGBT7 的 EconoDUAL™ 3 的內部等效電阻更低
此外，如下表所示，IGBT7模組內部連接的歐姆電阻RCC’+EE’，也稱為引線電阻，在常溫下為0.8毫歐，比IGBT4模組的1.1毫歐降低了27.3%，可以減少引線電阻的損耗。
EconoDUAL™ 3 IGBT4 和 IGBT7
模組內部的引線電阻阻值
仿真案例
PLECS 模擬工況：既然IGBT7比IGBT4有這麼多的優勢，那麼它在690V變頻器的產品層面表現如何呢？別急，以下主要以450A電流等級的IGBT7和IGBT4為例，透過電力電子模擬軟體PLECS以及基於規格書的元件熱模型，對這兩種IGBT模組進行詳細的模擬分析。下表為690V逆變器的典型工作參數。
PLECS 模擬結果，輸出電流和結溫：下圖是四種IGBT模組的輸出電流和IGBT晶片結溫的模擬曲線。IGBT4的最高工作結溫是150℃，FF450R17ME4_B11對應的輸出電流為275A。IGBT7的最高工作結溫是175℃，FF450R17ME7_B11對應的輸出電流為343A，比IGBT4高24.7%。同理，FF600R17ME4_B11的輸出電流為302A，FF600R17ME7_B11的輸出電流為380A，比IGBT4高25.8%。在相同輸出電流時，IGBT7的結溫明顯低於IGBT4，且隨著輸出電流的增加，兩者的溫差越來越大。
IGBT7結溫低的原因是損耗低。假設一個IGBT模組的輸出電流為271A，下圖是半個IGBT模組的損耗對比，FF450R17ME4_B11的損耗是325.9W，FF450R17ME7_B11的損耗是246.2W，比FF450R17ME4_B11低24.4%，因此IGBT7模組可以降低系統損耗並提升系統效率。
PLECS 模擬結果，結溫、殼溫和散熱器溫度：下圖是IGBT的結溫、殼溫和散熱器溫度對比，FF450R17ME4_B11的結溫、殼溫和散熱器溫度分別為115.3℃、98.4℃和91.2℃，FF450R17ME7_B11分別為105℃、86.6℃和79.5℃。IGBT7的結溫、殼溫和散熱器溫度比IGBT4低10.3℃、11.8℃和11.7℃，可以提高系統的可靠性。
PLECS 模擬結果，提升輸出電流和開關頻率：IGBT7低損耗和低溫升的優勢有助於提升IGBT的輸出電流或開關頻率（載頻）。在1250Hz、217A輸出的情況下，FF450R17ME4_B11的結溫為115.3℃，FF450R17ME7_B11的結溫為105℃。如下圖所示，如果保持與FF450R17ME4_B11相同的開關頻率和結溫，FF450R17ME7_B11的輸出電流可以增加到240A，增加了23A，10.6%。如果保持與FF450R17ME4_B11相同的輸出電流和結溫，FF450R17ME7_B11的開關頻率可以增加到1750Hz，增加了500Hz，40%。
IGBT7助力690變頻器功率跳檔的PLECS模擬：IGBT7允許的最高工作結溫是175℃，IGBT4是150℃。參考下表690V 200kW和250kW變頻器的額定電流、輕過載電流和重過載電流，透過器件的規格書熱模型和PLECS模擬評估FF450R17ME7_B11是否能實現變頻器的功率跳檔。模擬雖然與真實的變頻器系統有差距，但它能幫助我們快速評估器件性能的表現趨勢。
下表是IGBT4和IGBT7的模擬結溫對比，在不同運行條件下有以下差異：
在額定電流工況下，FF450R17ME4_B11的結溫是115.3℃，距離最高結溫有34.7℃的裕量。FF450R17ME7_B11的結溫是129.6℃，距離IGBT7允許的最高連續運行結溫150℃有21.4℃的裕量。
在110%輕過載工況下，FF450R17ME4_B11的結溫是122.8℃，距離最高結溫有27.2℃的裕量。FF450R17ME7_B11的結溫是135.1℃，距離最高結溫有39.9℃的裕量。
在150%重過載工況下，FF450R17ME4_B11的結溫是118.7℃，距離最高結溫有31.3℃的裕量。FF450R17ME7_B11的結溫是137.2℃，距離最高結溫有37.8℃的裕量。
基於模擬評估結果，從結溫裕量的角度來看，FF450R17ME7_B11滿足250kW變頻器的工況。與FF450R17ME4_B11相比，它可以協助變頻器的功率從200kW擴展到250kW，實現功率跳檔。
總結
本文首先介紹了1700V EconoDUAL™ 3 IGBT7的產品系列和性能特點，接著以1700V 450A IGBT4和IGBT7為例，透過PLECS模擬詳細研究了IGBT7在損耗、溫升和高載頻等方面的優勢。由於IGBT7的最高工作結溫為175℃，模擬結果顯示IGBT7可以實現變頻器的功率跳檔。為了方便大家理解，下圖總結了IGBT7的產品優勢及其對690V變頻器的應用價值。
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