高压变频器_SVG的推广资料2012.4.ppt

用于高压变频器的v系列igbt,我国发电量的6070左右用于推动电动机做功，其中90的电机是交流电机，大部分为40040000kw，310kv的大功率高压交流电动机。由于采用直接恒速拖动，每年造成大量的能源浪费。 占工业用电30以上的各种风机、泵类负载，工况变化较大，如采用交流调速技术实现变速运行，节能效果明显。以平均节电20计算，对全国来说年节电500亿度，同时可以相应减少2000万吨发电用煤，50万吨二氧化硫和1200万吨二氧化碳的排放。 e.g. 一个 60 万千瓦电厂包括风机、水泵在内，一共有 20台辅机，其中 13台可以应用高压变频。 一座高炉需配备风机、水泵、冲渣泵等 10 台，都可配备高压变频器。 一条 5000吨/天 的水泥生产线，包括风机、磨煤机在内，共需 11台辅机，都可配备变频器。,高压变频器,高压变频器结构,采用igct/sgct的电流源型,电流源型 ab公司 优点： 易于控制电流，便于实现能量回馈和四象限运行 容易实现旁路控制功能，在装置出现故障时不影响电网运行 结构简单，使用的功率器件少，使驱动和吸收电路简化 缺点： 变频器的性能与电机的参数有关，不易实现多电机联动，通用性差 电流的谐波成分大，污染和损耗较大,高压变频器结构,二极管箝位式三电平型,三电平电压源型 s公司，a公司 优点： 结构简单、体积小、成本 低，使用功率器件数量最少 （12只） 避免了器件的串联，提高 了装置的可靠性 缺点： 高次谐波对电网造成污染 电动机的功率因数和效率 低。随着转速的下降，功率 因数和效率都会相应降低,高压变频器结构,h桥级联型 r公司，完美无谐波 优点： 采用技术成熟、价格低廉的低压igbt组成逆变单元，通过串联单元的个数适应不同的输出电压要求 完美的输入输出波形，使其能适应任何场合及电机使用 由于多功率单元具有相同的结构和参数，便于将功率单元做成模块化 无需外加滤波器即可满足各国供电部门对谐波的严格要求 输入功率因数可达0.95以上，总体效率高达97%。 缺点： 使用的功率单元及功率器件数量较多，装置的体积较大 实现能量回馈和四象限运行困难，且成本较高 当电网电压和电机电压不同时，无法实现旁路切换控 制,h桥级联结构,高压变频发展方向,高性能同步机及四象限能量回馈 高压变频器可以细分为通用型高压变频器和高性能（牵引型）高压变频器。高性能变频器可以实现精密控制和四象限能量回馈。高性能变频器的调速需求大于节能需求。通用型高压变频器国内已基本实现替代进口，但高性能高压变频器目前国内使用的基本为进口产品。 以2000kw的高性能矿井提升机用高压变频器为例。 售价可达1000万，单价高达 5000元/kw，而通用变频器目前基本为 500元/kw。高性能变频器单价是通用型的 10倍。 目前，矿井提升机每年市场需求在 50套，金额在 4.57.5亿左右。加上井下变频器的市场，煤炭行业是高压变频器新的蓝海。我们预计随着煤炭行业的进一步整合，实力雄厚的能源集团将更有能力与意愿投资变频器，矿井提升机用变频器未来每年的规模超过 20亿元。,高压, svg行业合作伙伴,igbt的历史,igbt芯片构造的变迁,平面型,沟槽栅型,field-stop,npt,pt-epi,igbt芯片尺寸的比较,18% / 5y die size reduction,igbt模块构造的变迁,pim-c,e+,solder-free terminal,evk-series,-series,econo package,press fit pin,pin,spring,econo package (rohs, solder-free terminal),primary screw pkg,standard screw type primary solder pkg,european thinner & compact pkg,compact/environment/solder-free pkg,2nd gen. (l/f-series) y1990,3rd gen. (n-series) y1995,45th gen. (s,u-series) y19982005,6th gen. (v-series) y2008,工业用模块的应用分布,hpm 3300v 800-1500a (under dev.),dualxt, ep+ standard 30mm-h,epxt, pcxt, ipm easy1/2b & smart (plan),hpm 1200v 600-3600a 1700v 600-3600a,primepacktm 1200v 600-1400a 1700v 650-1400a,primepacktm is registerd trademarks of infineon technology ag, germany,v系列的基本概念,1 更高的性能 2 更方便使用,采用v系列芯片，进一步降低通态压降von 和关断损耗eoff 采用高导热dcb基板，改善芯片布局，进一步降低热阻 提高最大结温，tj(max) =175oc 175oc ul 認定 e82988,更便于设计 高损坏耐受量， 小型化 低干扰, 低浪涌电压, 软关断, 高可靠性，标准封装等 更便于组装 免焊接模块的系列化; 螺旋弹簧式和压接式,v系列的特性改善,v-100a,150a,v-75a and smaller,possibly high power,u-igbt,sourcex-3,x4-75a and smaller,x4-100,150a,25%小形化損失低減両立 !,v系列：软关断,conventional,ch1 vce : 200v/div ch2 ic : 25a/div ch3 vge : 20v/div,vdc=900v, 2xic intentionally large l-stray,v-igbt,v系列：更好的rg可控性,trench-a,100ns,7.7w,40w,-b,v,v,通过外接门极rg，更好地控制开通速度 改善了dv/dt和开通损耗的折中特性， 实现了低损耗和低干扰,门极电阻可控性,随着低损耗需求的增大，igbt的开关速度越来越快。但是，开关速度变快后，由于电流、电压的变化将产生emi干扰。特别是开通特性，对emi干扰的影响很大。因此，在emi干扰问题尚未解决的情况下，需要使开通时的电流、电压缓慢变化（软开通）。因此，必须通过门极电阻rg来调整开通时的电流、电压变化率。 第六代v系列igbt产品，通过门极电阻rg可以轻松地控制开通速度。下图显示了在1/10的额定电流下，改变rg时的开通开关波形。该图还显示了其对称支路的fwd电压变化。 如图，通过改变门极电阻，使开通产生的反向恢复dv/dt发生极大的变化。因此，在v-igbt中可通过门极电阻rg轻松地控制电流、电压变化率。在设计时，通过选择合适的门极电阻rg，可以得到最佳的emi干扰和开关损耗的折衷特性。,emi特性改善,在通过rg改善开通速度可控性的同时，要注意emi干扰与开通损耗的折衷关系。 下图：作为emi干扰主要原因的反向恢复dv/dt和开通损耗之间的关系。与u系列igbt产品相比，在同样的反向恢复dv/dt下，v系列igbt的开通损耗较小。 结论：与u-igbt产品相比，v-igbt的反向恢复dv/dt与开通损耗间的折衷关系得到了改善。v系列igbt模块同时实现了低损耗和低干扰。,v系列：低浪涌电压,vdc=600v,800v,900v,1000v,x4,v,vpeak=784v,vpeak=768v d16v,1020v,964v d56v,1168v,1060v d108v,1252v,1152v d100v,vdc900v时的浪涌电压降低100v以上,v系列：浪涌电压对rg的依赖性,浪涌电压对门极电阻rg的依赖性是有峰值的。,测试条件： vge=15v, vcc=900v, ic=600a, tj=rt rgoff=2.2,2mbi1000vxb-170-50,v系列：低热阻封装（优化布局）,以前的封装,v系列封装,hotspots,低热阻 均温分布 避免热量过于集中 以前： igbt-igbt （发热源集中） v-pkg： igbt-fwd-igbt （发热源分散） 芯片分布到dbc的外周 加速热循环（新无铅焊锡）,example of ep2,3xt v-pim,提高功率循环寿命,copper base plate,(c),(b),(a),mode 1 : 热应力 (a) 热机械应力导致焊锡结合处产生裂缝 (b) 铝线脱落（芯片部分） mole 2 : 机械损坏 (c) 铝线脱落(端子部分） mode 3 : 腐蚀 (d) 铜箔之间的绝缘受损,(d),dcb substrate,case,power chip (igbt/fwd),al-bond wire,tj power cycle,tc power cycle,tc功率循环寿命比较,candidate idea; tbd. in future,40 50 60 70 80 90,富士 (标准模块）,dtc 功率循环寿命 : 16,000cy at 80deg.c,i社 标准模块(cu),al2o3 + cu 底板,al2o3 + cu,富士 new 2in1,i社品 （富士試験）,dtc (oc),i社 primepack,富士模块具有更高的可靠性。,data from infineon website “1200v igbt4 - high power- a new technology generation (ed_pcim06_1200v igbt4 - high power- a new technology generation .pdf)“,富士 tjmin=25oc,富士 tjmax=150oc,fuji experimental results, not official guarantee,tj功率循环寿命比较,富士模块具有更高的可靠性。,test conditions;-40oc(1hr)rt(0.5h)125oc(1h),300 cycles后,一般的无铅焊锡,富士使用的无铅焊锡,焊锡裂缝,candidate idea; tbd. in future,规格书概略,例子：1200v/200a 2in1 模块,绝对最大值,一般电气特性,热特性,特性曲线,外形尺寸,规格书概略-绝对最大值,绝对不允许超出 的数值,由于门极采用mos结构，易受静电击穿；因此需要 采取必要的防静电措施。 注：门极防静电能力小于1kv。千万不能在无任何,防静电措施下用手触摸门极。 允许的最大连续电流 允许的最大损耗值 =(tjmax-25)/rthjc_igbt 允许的最高结温（工作结温往往推荐 25降额） 推荐安装力矩，并非最大值 陶瓷基板提供绝缘能力，将底板和芯片进行隔离 不要使用跌落后的模块（陶瓷基板可能碎裂从而导致电击的危险）,规格书概略-一般电气特性,注：关注不同结温下电气 特性中的最小、最大值,igbt开通的最小门槛值,如果电路误动作，门极电压超 过vge(th) ，igbt将会误开通 规格书曲线读取qg来计算驱动电路功 率，输入电容(cies)随着vce不同而 改变 规格书中的rg值是测试驱动电阻 值。对于大电流模块，使用标称 电阻值容易产生高浪涌电压 注：标 称 驱 动 电 阻 值 不 是 厂 家 驱 动推荐值,导通压降用来计算导 通损耗。,关断和开通延时用来设 定死区时间,igbt-电流参数, 标称电流（ic） 2mbi200vh-120-50 富士tjmax标称电流在tc=100时定义，tc=25电流大小可以作为一个参考值 tjmax tc (vce(sat)max tjmax *ic *rthjc) 注：标称值仅仅代表igbt在一定壳温下允许的直流电流能力，可以作为选择igbt的参考，但最终 选择取决于实际工作条件和散热条件！,脉冲电流（ic_pulse） ic_pulse定义为tc=100时，允许重复的开通脉冲电流，一般是模块标称值的两倍！ tj tc p tot *rthjc tjmax 注：1ms仅仅是测试条件，实际允许的脉冲宽度和脉冲电流值取决于热！,collector current,igbt-电压参数,vces_terminal,di dt,vces_chip l *,阻断电压（vces）,rbsoa,vces定义是igbt芯片不能超过的电压值，考虑模块 内部的杂散电感，模块端子电压需要做降额考虑！,注：vces在任何条件下都不能超过限值，否则模块很容易损坏！,static voltage is limited by absolute maximum rating.,static voltage dynamic voltage dynamic voltage is limited by rbsoa,scsoa,igbt-电压参数,饱和压降（vce(sat)） vce(sat)描述的是 是igbt芯片在一定条件（ （vge=15v，ic=标称值）下的电压降，分别给出在 tj=25， tj=125 ，tj=150的电压值。 交越点之上为正温度系数，有利于模块并联应用。 因此交越点越低越好！,交越点,temperature rise,igbt-开关参数,ton: 0vge到10vce的时间 tr: 10ic到10vce的时间 tr(i): 10ic到90ic的时间,toff: 90vge到10ic的时间 tf: 90ic到10ic的时间,16,注：富士ton一般比竞争对手大，这是因为富士和竞争对手的 定义差异导致ton大小差异，富士的定义多包含了90ic到 10vce的时间，如上图阴影所示；,rg：门极串联电阻，分为rgint 和rgext两部分。主要用来 控制开通和关断的速度。 qg：为了使igbt开通，g-e间的 充电电荷量。 cge_ext：外置门极电容，用来控制门极 开通速度，抑制门极电压振荡。 eon,eoff：开通损耗和关断损耗。 ton,tr,toff,tr(i)：igbt开通，上升， 关断，下降时间。（主要用来 决定死区时间。）,fwd参数,*,err err_ic *,p sw_fwd fsw*err,vdc vdc_nom,err_rgext err_rgstd,正向压降（vf)） vf描述的是fwd芯片在一定条件下（vge=0v，if=标称值）下的电压降，分别给出在tj=25， tj=125 ，tj=150的电压值。 tjmax tc (vfmax tjmax *if *rthjc) 反向恢复损耗（err）,壳散热器热阻(rthc-f)（模块金属 底板到散热器的热阻） tj_igbt tc p igbt *rthjc_igbt tj_fwd tc p fwd *rthjc_igbt tc tf p tot *rthcf,热特性,热特性（含热辐射能力）,结壳热阻rth(j-c)（芯片到芯 片正下方金属底板的热阻）,power loss,igbt,fwd,solder,cu foil,ceramic,cu foil,cooling fin,base plate,thermal grease,solder,tj (junction),tc (case),tf (fin),rth(j-c),rth(c-f),热特性,关于散热器安装表面的具体要求如下： 表面粗糙度应控制在10m 以下！在螺钉安装位 置间，每100mm 的平坦度应控制在50m 以下。 使用丝网文件的优点： 减小底板到散热器热阻 更好地控制硅脂厚度一致性 提高生产效率 注：我们将提供您所需要igbt型号的丝网文件以及应用指导来满足您的生产要求！,安装及力矩参数,注：规格书中给出的安装力矩是推荐值，并非最大值！,h桥级联的核心 功率单元,功率单元设计,igbt 驱动选型 驱动功率 pgate=qg*fsw*v pcge=cge*fsw* v2 p=pgate+pcge 驱动电流 imax=v/(rgstd+rgint) e.g. 2mbi150vh-170-50 qg = 0.6 + 1.2 = 1.8uc pgate = 1.8uc * 3khz *(10+15) = 0.135w imax = 25/(5+ 3*4.8) = 1.29a concept 2sc0108t ok.,功率单元设计,短路保护：vce（sat)检测 吸收电路： c型， rcd型 钳位电路： 有源钳位 vcepeak tvs管的选择 门极钳位 门极震荡，门极过电压,功率单元设计,rg的选择 开通关断速度 损耗 电压电流尖峰 当减小栅极电阻的阻值时，需要考虑的是当大电流被过快地切换时所产生的 di/dt。这时由于电路中存在杂散电感，它在 igbt 上产生高的电压尖峰，vcep = vdc+ls(di/dt)。 此外， 也会造成fwd反向恢复电压尖峰vakp过大。 死区时间 emi fwd反向恢复dv/dt过大会对门级产生干扰 门极震荡 规格书标准值是实际应用的rg下限，是在假设理想的驱动条件下，使开关损耗最小的驱动电阻。 实际应用时，对于高压变频行业 建议从开通： 35倍