具備驅動功能和保護功能的IGBT模塊IPM(Intelligent Power Module)，可以更進一步實現變頻器的小型化、低損耗化、高性能化嗎？

富士電機新開發的第7代“X系列”IGBT-IPM(X系列IPM) 可以做到。

X-IPM產品線

下表展示的是X系列IPM的產品線。開發這條產品線的依據總結為2點：滿足市場小型化需求、適應市場大電流化需求。

（標*的為正在開發中的產品）

1、滿足市場小型化需求

為滿足市場的小型化要求，X系列IPM新增加了“P639”、“P644”、“P638”三種封裝。

新封裝“P639”

采用RC-IGBT（Reverse Conducting-IGBT）芯片技術，與傳統封裝中最小尺寸的“P629”相比，銅底板面積進一步減少了27%。

“P644”

與傳統封裝的“P626”外形尺寸相同，但該封裝使7in1成為可能。

“P638”

與傳統的同一電流容量封裝的“P630”相比，“P638”封裝銅底板面積減少了54%。

2、適應市場大電流化需求

X系列IPM為適應市場大電流化需求，將大額定電流產品加入到了產品陣容之中。

在傳統的“V系列”IGBT-IPM（V系列IPM）中， 額定電壓值600V的產品其額定電流最大到400A，額定電壓值1200V的產品其額定電流值最大到200A。

而X系列IPM，額定電壓值650V的產品可擴充至450A，額定電壓值1200V的產品甚至可擴充至300A。

通過新封裝的系列化和現有封裝額定電流的擴大，有助于所搭載裝置實現小型化。

主要功能和特點

1、降低損耗（高效率化）

- 改善電力轉換裝置的轉換效率

為改善電力轉換裝置的轉換效率，降低IPM 的損耗非常重要。

△ IGBT 芯片截面結構比較

與第6代IGBT相比，

通過讓芯片厚度變薄，改善導通電壓（集電極與發射極飽和電壓）和關斷損耗。

通過優化表面的溝槽型柵結構，增強提高表面側載流子濃度的IE(Injection Enhanced)效果，改善導通電壓和關斷損耗的權衡關系。

-表面結構更優化

與標準的IGBT 模塊中搭載的IGBT相比，IPM用IGBT表面結構更加優化。該方法是內置了短路保護功能才得以實現的IPM特有的改善方法。

上圖所示為集電極與發射極飽和電壓VCE(sat) 和關斷損耗Eoff的權衡。

關斷損耗相同時，IPM用第7代IGBT導通電壓比IPM用第6代IGBT降低了0.25V，比模塊用第7代IGBT降低了0.15V。

但是，通過表面結構的微細化降低導通電壓后，也會使得短路電流增加。

而IPM內置的短路保護使得保護速度更快，因此，權衡得到了進一步改善。

上圖所示的是75A/1200V的IPM在PWM變頻器動作時的損耗仿真結果。

通過上述特性改善，與V系列IPM相比，7G(X系列IPM)的總損耗在載波頻率為5kHz時改善了約14%；在載波頻率為10kHz時改善了約14.7%。

2、保護功能特性

上表所示為X系列IPM與原有V系列IPM保護功能的比較。

X系列IPM的特點為短路保護功能的高速化與報警輸出功能的改善、內置溫度預警輸出功能、報警時制動部分獨立動作。

關于業界率先搭載的報警原因識別功能，在X系列IPM中，通過將每個報警原因的識別范圍從0.1ms擴大到1.1ms以上，來提高報警原因識別功能的識別性。從而優化報警輸出時的原因分析、原因調查的精確度。

此外，作為報警輸出的新功能，X系列IPM設置了下橋臂保護動作時制動單元IGBT的獨立動作。

原有IPM的下橋臂一旦檢測到異常并輸出報警，其控制邏輯就會停止下橋臂所有輸出動作。然而此時因制動單元的動作也已停止，所以無法通過制動電路釋放旋轉的馬達中產生的能量，導致存在P-N間電壓上升的問題。

而X系列IPM下橋臂的變頻器單元，在檢測到異常并輸出報警時制動器單元依舊可以動作，從而抑制電機的能量回饋引起的主電源P-N間電壓的上升，防止半導體器件的過電壓破壞。

并且，當制動單元異常時，也可保護制動單元和其他下橋臂的變頻器單元。

3、溫度預警輸出功能(適于部分機型)

X系列IPM在業界率先搭載了溫度預警輸出功能。一旦它監視到IGBT芯片超過了規定溫度，那么芯片過熱的狀態將作為警報被通知到IPM的外部。

△ 溫度預警輸出功能的動作波形

上圖為溫度預警輸出功能的動作波形。

IGBT的芯片溫度超過175℃時會觸發過熱保護，輸出預警信號的同時停止開關動作。

另一方面，觸發溫度預警輸出時，可繼續IGBT的開關動作。

具體而言，當機床、電梯等裝置出現冷卻能力不良（散熱片堵塞、風扇故障、潤滑劑用完等）、X系列IPM內部的IGBT芯片溫度超過150℃時，即向裝置端輸出溫度預警信號。

裝置接收到信號后，可通過降低施加于IPM的負載電流等方法，使IGBT的芯片溫度低于175℃，避免裝置動作停止，繼續運行，可在適當的時機進行裝置維護。

4、高溫運行化與降低損耗的效果

下圖是X系列IPM 與V系列IPM運行溫度的對比。

X系列IPM連續運行時的Tvjop從V系列IPM的125℃擴大到了150℃，最大芯片接合溫度Tvjmax從V系列的150℃擴大到了175℃。

為實現這樣的高溫運行，X系列IPM也使用了高耐熱凝膠和高可靠性焊接等技術的第7代封裝技術。

此外，內置于IPM的控制IC在不易受溫度影響的電路方式和高溫時電遷移的基礎上進行了布局設計，使高溫下的運行成為了可能。

這樣設計最直觀的優點就是，在電力轉換裝置中，可應用于比原來更嚴格的負載條件和低散熱設計。

下圖是IPM在該變頻器工況輸出電流與芯片結溫的對比：

X系列IPM通過擴大連續運行時的IGBT芯片結溫和降低損耗，輸出電流增加約31%（與V系列IPM相比）。

目前X系列IPM的應用手冊（中文版）已在集團官網正式上線。

有關X系列IPM的產品線、應用注意事項、推薦電路等信息都可在應用手冊中獲取到。

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