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普控科技11kW超高功率密度變頻器產品定義、設計和驗證

英飛凌工業半導體 ? 2024-02-19 13:15 ? 次閱讀

本文出自變頻器企業的設計團隊,全面介紹了滿足IEC61800-9變頻產品國際新能效標準的11kW重載型變頻器產品定義、設計和驗證,包括新一代IGBT7 - FP50R12W2T7_B11的選型、整機效率、溫升、dv/dt、EMC等。

隨著我國穩步推進能源綠色低碳轉型,持續推動產業結構優化升級,在“雙碳”目標(碳達峰與碳中和)指引下,變頻器(Variable Frequency Drive,VFD)和電機組成的傳動系統(Power Drive System,PDS)的能效指標變得尤為重要。因此,采用全新一代功率器件IGBT7和新高能效控制軟件的變頻器產品設計,可以為行業應用帶來顯著的節能效益和性能提升,更好地適應IEC61800-9等變頻產品國際新能效標準的要求。

本文將介紹基于英飛凌TRENCHSTOP IGBT7系列EasyPIM 2B 1200V 50A模塊FP50R12W2T7_B11開發的新一代超高功率密度11kW重載型通用變頻器,該變頻器具有體積小,功率密度高,滿載效率可達98.1%,可適配IE3/4及以上高能效三相異步電動機電機及高速同步電機,支持多種總線通訊,具備Wi-Fi IoT云連接能力等特點。同時,本設計內置EMC濾波器,可滿足IEC61800-3 C3類要求。特別適合高效率、高性能風機、泵類、壓縮機驅動等應用場合。

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變頻器主要參數

外形尺寸:高220mm*寬115mm*深180mm,由于IGBT7器件的高效率、低損耗的特性,有效減小了散熱器尺寸,使得本設計將11kW變頻器的尺寸降低到傳統7.5kW變頻器的尺寸水平,遠領先于市場上同類產品,見下表:

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輸出額定功率Pld=11kW

輸出額定電流Ild=23A(環境溫度45℃,每10分鐘可承受1分鐘150%過載)

效率Efficiency>98%

本設計11kW與市場主流7.5kW產品外形

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英飛凌IGBT7芯片和模塊

IGBT是變頻器中實現變頻變壓的核心元件,本設計采用的是英飛凌的EasyPIM2B的模塊FP50R12W2T7_B11,該模塊采用最新一代的IGBT7技術,與傳統的IGBT4相比,IGBT7采用了MPT微溝槽技術和更薄的晶圓,通過對元胞結構和間距的精心設計,改善了寄生電容參數,降低了導通損耗,并提供了更好的dv/dt可控性。

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這一針對電機驅動定義的芯片在具體在變頻器設計中,優勢明顯:

1.

封裝降級

高功率密度,將50A的模塊從Econo2封裝尺寸減小到Easy 2B的尺寸,占用板面積減小43.7%

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FP50R12KT4

長107.5mm*寬45mm

FP50R12W2T7_B11

長56.7mm*寬48mm

2.

與實際應用更匹配的結溫特性

由于變頻器是實際應用場合通常存在短時過載的工況,短時過載時,會造成IGBT實際結溫進一步升高(如藍色曲線的突起部分),與傳統IGBT4相比,IGBT7將過載下的最大結溫提高到175℃,過載和不過載結溫設計限制分開考慮,模塊能力的使用更充分。

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設計驗證

1.

dv/dt

IGBT開通電阻Ron阻值選擇為11.2ohm,測得dv/dt=4.57kV/us,符合電機絕緣要求。

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2.

硬件過流保護

硬件過流點為64A,保護動作延遲時間6us<8us,滿足IGBT7短路時間要求。

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3.

EMC測試

該變頻器甚至可滿足C2-5m的EMC要求。

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i.傳導極限值和測試

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ii.輻射極限值和測試

4.

效率

在永磁同步機負載條件下,輸出19.5A,輸出功率11.3kW時,整機效率可達98.1%。

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5.

溫升

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該變頻器在如上工況穩定運行1小時,測得IGBT模塊的溫升數據如下:

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計算上述工況IGBT模塊損耗如下:

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根據熱阻數據推算IGBT結溫約73℃,按環境溫度45℃折算,該工況的IGBT結溫約為100℃,設計裕量充足。

系統設計要點

1.

散熱設計

該變頻器尺寸小,功率大,如何將熱量快速的散出是系統設計的一大難點,對比多種布局方案,下圖的布局方案系統的風阻小,流過散熱器的風量大,能將模塊的熱量快速散出,母線電容與散熱器之間用塑膠件隔開,且有一定風量流過母線電容表面,降低母線電容周圍的環境溫度,提高了電容壽命。

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2.

IGBT驅動設計

本設計采用英飛凌的1ED3121MU12H驅動IC,該芯片的開通電阻和關斷電阻可分開配置,有高達5.5A的峰值驅動電流,足以驅動該模塊的IGBT;驅動IC有高達200kV/us的共模抑制比,可減小傳遞到控制側的IGBT開關干擾;芯片本身原、副邊之間>8mm的電氣間隙滿足爬電距離要求;可直接接收MCU的3.3V PWM信號,與MCU內置的硬件比較保護PWM關斷功能完美匹配,簡化了系統設計。

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結論

英飛凌的新一代IGBT7模塊配合5.5A驅動能力的EiceDRIVER驅動器,可以把變頻器的功率密度大幅提高,從而提高整機性能,降低系統成本和整個產品壽命周期和擁有成本,增強市場競爭力。

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