普控科技11kW超高功率密度變頻器產品定義、設計和驗證

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，採用全新一代功率器件IGBT7和新高能效控制軟體的變頻器產品設計，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。

本文將介紹基於英飛凌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雲連接能力等特點。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。

外形尺寸：高220mm*寬115mm*深180mm，由於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，遠領先於市場上同類產品，見下表：

• 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

IGBT是變頻器中實現變頻變壓的核心元件，本設計採用的是英飛凌的EasyPIM™2B的模塊FP50R12W2T7_B11，該模塊採用最新一代的IGBT7技術，與傳統的IGBT4相比，IGBT7採用了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，並提供了更好的dv/dt可控性。

這一針對電機驅動定義的晶片在具體在變頻器設計中，優勢明顯：

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%

由於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。

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。

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

該變頻器甚至可滿足C2-5m的EMC要求。

                                                                                         i.傳導極限值和測試

                                                                                      ii.輻射極限值和測試

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%。

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：

計算上述工況IGBT模塊損耗如下：

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。

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。

本設計採用英飛凌的1ED3121MU12H驅動IC，該晶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；晶片本身原、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內置的硬體比較保護PWM關斷功能完美匹配，簡化了系統設計。