本文作者
李建平，普空科技总经理[email protected]）
马金武是普空科技的硬件系统设计经理。
Song Shen，英飞凌科技零碳工业电源事业部技术总监
编者按
本文来自逆变器公司设计团队，全面介绍了符合国际能效标准的11kW重载逆变器产品定义、设计和验证IEC61800-9变频器产品，包括新一代IGBT7-FP50R12W2T7 B11的选择、整机效率、温升、DV DT、 EMC等
随着我国稳步推进能源绿色低碳转型，持续推进产业结构优化升级，在“双碳”目标（碳达峰、碳中和）指引下，变频驱动（VFD）和电机组成的动力驱动系统（PDS）能效指标显得尤为重要。 因此，采用新一代功率器件IGBT7和新型节能控制软件的逆变器产品设计，可以为工业应用带来显著的节能效益和性能提升，更好地满足IEC61800-9等变频器产品新的国际能效标准的要求。
在本文中，我们将介绍基于英飞凌TrenchStop IGBT7系列EasyPIM 2B 1200V 50A模块B11的新一代超高功率密度11kW重载通用逆变器FP50R12W2T7，该模块体积小，功率密度高，满载效率高达981%，可适配IE3 4及以上节能三相异步电动机和高速同步电动机，支持多种总线通信，并具有Wi-Fi IoT云连接能力的特点。 同时，该设计内置EMC滤波器，可满足IEC61800-3 C3级的要求。 特别适用于高效、高性能的风机、泵、压缩机驱动等应用。
变频器主要参数：
外形尺寸：高220mm*宽115mm*深180mm，由于IGBT7器件的高效率和低损耗特性，有效减小了散热器的尺寸，使11KW逆变器的尺寸减小到传统的75kw逆变器的尺寸水平远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150%过载1分钟）。
效率>98%。
此设计为11kw，与市场主流75kw产品形状。
英飞凌的IGBT7芯片和模块
IGBT是逆变器实现变频和电压转换的核心部件，本设计采用英飞凌的EasyPIM 2B模块FP50R12W2T7 B11，该模块采用最新一代IGBT7技术，与传统IGBT4相比，IGBT7采用MPT微沟槽技术和更薄的晶圆，通过精心设计的电芯结构和间距，改善寄生电容参数， 降低传导损耗，提供更好的DV DT可控性。
这种为电机驱动而定义的芯片在变频器的设计中具有明显的优势：
软件包降级
高功率密度，将 50A 模块的尺寸从 Econo2 封装尺寸减小到 Easy 2B 尺寸，并将电路板面积减少 437%
fp50r12kt4
长 1075mm*45mm宽
fp50r12w2t7_b11
衣长 567mm*48mm宽
更适合实际应用的结温特性
与传统的IGBT4相比，IGBT7将过载下的最高结温提高到175，并分别考虑过载和过载结温的设计极限，模块容量得到更充分的利用。
设计验证
dv/dt
IGBT导通电阻RON电阻值选为112ohm，测得DV dt=457kV我们，符合电机绝缘要求。
硬件过流保护
硬件过流点为64A，保护动作延时时间为6us<8us，满足IGBT7短路时间的要求。
EMC测试
该驱动器甚至可以满足 C2 至 5M 的 EMC 要求。
i.导通极限值和测试。
ii.辐射限值和测试。
效率
在永磁同步电机负载条件下，输出为195A，输出功率11在3kw时，整机效率可达981%。
温升
逆变器在上述工况下稳定运行1小时，IGBT模块温升数据如下：
IGBT模块损耗计算如下：
根据热阻数据，IGBT结温估计在73左右，根据环境温度45，该条件下的IGBT结温约为100，设计余量充足。
系统设计要点
散热设计
变频器体积小，功率大，如何快速散热是系统设计中的一大难点，与多种布局方案相比，下图的布局方案系统风阻小，流经散热器的风量大，模块的热量可以快速散发， 母线电容和散热器由塑料件隔开，有一定的风量流过母线电容表面，降低了母线电容周围的环境温度，提高了电容的寿命。
IGBT驱动器设计
该设计使用 Infineon 的 1ED3121MU12H 驱动器 IC，该驱动器 IC 具有一个开路和一个关断电阻器，可单独配置，并具有多达 5 个5A的峰值驱动电流足以驱动模块的IGBT; 驱动IC的共模抑制比高达200kV us，可以减少传输到控制侧的IGBT开关干扰。 芯片本身一次侧和次级侧之间的电气间隙为8mm，满足爬电距离要求; 3.可直接接收MCU3V PWM信号与MCU内置硬件保护PWM关断功能完美匹配，简化了系统设计。
结论
英飞凌新一代 IGBT7 模块具有 5EICEDRIVER驱动器的5A驱动能力可以大大提高变频器的功率密度，从而提高整机性能，降低系统成本和整个产品生命周期和拥有成本，增强市场竞争力。
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