普控科技11kW超高功率密度变频器产品定义、设计和验证

随着我国稳步推进能源绿色低碳转型，持续推动产业结构优化升级，在“双碳”目标（碳达峰与碳中和）指引下，变频器（Variable Frequency Drive,VFD）和电机组成的传动系统（Power Drive System，PDS）的能效指标变得尤为重要。因此，采用全新一代功率器件IGBT7和新高能效控制软件的变频器产品设计，可以为行业应用带来显著的节能效益和性能提升，更好地适应IEC61800-9等变频产品国际新能效标准的要求。

本文将介绍基于英飞凌TRENCHSTOP™ IGBT7系列EasyPIM™ 2B 1200V 50A模块FP50R12W2T7_B11开发的新一代超高功率密度11kW重载型通用变频器，该变频器具有体积小，功率密度高，满载效率可达98.1%，可适配IE3/4及以上高能效三相异步电动机电机及高速同步电机，支持多种总线通讯，具备Wi-Fi IoT云连接能力等特点。同时，本设计内置EMC滤波器，可满足IEC61800-3 C3类要求。特别适合高效率、高性能风机、泵类、压缩机驱动等应用场合。

外形尺寸：高220mm*宽115mm*深180mm，由于IGBT7器件的高效率、低损耗的特性，有效减小了散热器尺寸，使得本设计将11kW变频器的尺寸降低到传统7.5kW变频器的尺寸水平，远领先于市场上同类产品，见下表：

• 输出额定功率Pld=11kW

• 输出额定电流Ild=23A（环境温度45℃，每10分钟可承受1分钟150%过载）

• 效率Efficiency>98%

                                                      本设计11kW与市场主流7.5kW产品外形

IGBT是变频器中实现变频变压的核心元件，本设计采用的是英飞凌的EasyPIM™2B的模块FP50R12W2T7_B11，该模块采用最新一代的IGBT7技术，与传统的IGBT4相比，IGBT7采用了MPT微沟槽技术和更薄的晶圆，通过对元胞结构和间距的精心设计，改善了寄生电容参数，降低了导通损耗，并提供了更好的dv/dt可控性。

这一针对电机驱动定义的芯片在具体在变频器设计中，优势明显：

高功率密度，将50A的模块从Econo2封装尺寸减小到Easy 2B的尺寸，占用板面积减小43.7%

由于变频器是实际应用场合通常存在短时过载的工况，短时过载时，会造成IGBT实际结温进一步升高（如蓝色曲线的突起部分），与传统IGBT4相比，IGBT7将过载下的最大结温提高到175℃，过载和不过载结温设计限制分开考虑，模块能力的使用更充分。

IGBT开通电阻Ron阻值选择为11.2ohm，测得dv/dt=4.57kV/us，符合电机绝缘要求。

硬件过流点为64A，保护动作延迟时间6us<8us，满足IGBT7短路时间要求。

该变频器甚至可满足C2-5m的EMC要求。

                                                                                         i.传导极限值和测试

                                                                                      ii.辐射极限值和测试

在永磁同步机负载条件下，输出19.5A，输出功率11.3kW时，整机效率可达98.1%。

该变频器在如上工况稳定运行1小时，测得IGBT模块的温升数据如下：

计算上述工况IGBT模块损耗如下：

根据热阻数据推算IGBT结温约73℃，按环境温度45℃折算，该工况的IGBT结温约为100℃，设计裕量充足。

该变频器尺寸小，功率大，如何将热量快速的散出是系统设计的一大难点，对比多种布局方案，下图的布局方案系统的风阻小，流过散热器的风量大，能将模块的热量快速散出，母线电容与散热器之间用塑胶件隔开，且有一定风量流过母线电容表面，降低母线电容周围的环境温度，提高了电容寿命。

本设计采用英飞凌的1ED3121MU12H驱动IC，该芯片的开通电阻和关断电阻可分开配置，有高达5.5A的峰值驱动电流，足以驱动该模块的IGBT；驱动IC有高达200kV/us的共模抑制比，可减小传递到控制侧的IGBT开关干扰；芯片本身原、副边之间>8mm的电气间隙满足爬电距离要求；可直接接收MCU的3.3V PWM信号，与MCU内置的硬件比较保护PWM关断功能完美匹配，简化了系统设计。