工业马达驱动设计中igbt的作用有哪些（igbt驱动功率）

在所有应用中，电动机的运行效率受到越来越多的关注。因此，对高效驱动器的需求变得越来越重要。此外，使用电机驱动器（例如电动机、泵和风扇）的设计需要降低这些电动机应用中的总体成本和能耗；因此，为电动机及其驱动器指定高效设计以适应每个特定应用变得更加重要。

对于当今需要更高电压或更高电流和更低频率的电机驱动应用，众所周知且广泛使用的开关元件解决方案绝缘栅双极晶体管(IGBT) 是一个绝佳的选择。由于大多数电机在较低频率下运行，需要可靠的安全工作区(SOA) 和短路额定值，并且需要最大限度地提高效率，因此带有共同封装二极管的IGBT 非常适合这些应用。 IGBT 的电流处理能力和峰值电压额定值等因素决定了特定IGBT 是否能够支持电机的负载要求。

本应用指南解释了使用IGBT 进行电机控制的优势，讨论了IGBT 在工业电机驱动设计中的作用、开关和电导率如何影响IGBT 选择，以及了解短路耐受时间的重要性。本文重点介绍了为什么使用Bourns 先进的分立IGBT 进行设计有助于延长工业系统应用中驱动器和电动机的使用寿命并提高其效率。

最大限度地提高工业电机驱动器的效率

典型的电机驱动器由几个部分组成。图1 显示了典型的电机驱动应用，该应用使用交流电源线的电源，并根据用户输入将电源施加到电动机。使用IGBT 创建功率因数校正(PFC) 整流器，如不间断电源(UPS) 中的设计。电机制动电路由IGBT 组成，当电机停止时，IGBT 会消耗电机的功率，或将多余的能量传输回交流输入以进行再生制动。电机驱动逆变器将电容器中存储的直流电压能量转换成指定电压和频率的交流波形，以控制电机达到所需的转速和扭矩。

图1 使用功率因数校正(PFC) 输入整流器的典型电机驱动框图

为了在电机驱动设计的各个部分中将IGBT 保持在其SOA 额定值以下，必须从晶体管封装中排除热量。 Bourns BID IGBT 系列采用TO-247 功率封装，具有更好的散热效果。这些封装可有效散热，消除IGBT 和FRD 中的开关瞬态和正向传导造成的功率损耗。在环境温度较高且气流减少或不可用的电机控制应用中，设计人员需要考虑功耗对整个系统的影响。由于Bourns IGBT 专为高效率而设计，因此它们产生的需要散发的热量较少。这有助于减小尺寸和成本，并简化热管理设计。

开关和传导行为

IGBT 的开关和传导行为取决于元件结构。 Bourns IGBT 的不对称结构有助于优化电机控制应用中的通态损耗和开关速度。该结构的一个重要特征是场截止层，该层由添加在n 漂移区域下方和下部p 掺杂层上方的n+ 型缓冲层创建。该缓冲器的目的是支持电场并允许更薄的n 漂移区域，这极大地有助于减少传导损耗。

图2 显示了开关损耗(Eoff) 和传导损耗(VCE(sat)) 之间的总体权衡。这说明了系统要求和选择适当组件以满足特定电机系统控制器需求的重要性。 Bourns 的新一代IGBT 采用先进的Trench-Gate FieldStop (TGFS) 技术来增加单元密度，从而增强VCE(sat)/Eoff 曲线性能。

图2 开关损耗(Eoff) 和传导损耗(VCE(sat)) 之间的权衡

工业环境中的短路

在电机控制应用中，IGBT 开关可能会经历从直流电压总线到接地（如直流电流）或从一个电机相到另一相或接地的短路路径。 IGBT 必须能够在最终应用检测所需的时间间隔内承受这些异常情况。电机通常能够在相对较长的时间内（毫秒到秒）吸收非常高的电流水平；然而，通常指定用于电机驱动逆变器的IGBT 的短路耐受时间通常在微秒范围内。一些Bourns IGBT 型号的短路承受能力为10 s。

电机控制应用需要高度的稳健性和可靠性，因为它们在恶劣的条件下运行，会给IGBT 带来很高的应力，而众所周知，这会导致瞬态短路情况。

具有较高短路电流水平和5 s 范围内必要的短路耐受时间的IGBT（例如Bourns BIDNW30N60H3）是降低传导损耗的权衡，也有助于降低总体BOM 成本。好消息是，短路承受时间的一些差异可以通过IGBT 设计和封装技术的改进来抵消。较高的跨导和较低的热阻可减少传导损耗并提高应用效率，即使所选IGBT 的短路耐受时间较短，也有利于电机控制应用设计。

IGBT 的权衡

如果所选组件因低开关损耗而提供高水平开关频率，则这将导致更高的传导损耗。较高的传导损耗会导致较高的功耗，这需要更大且通常笨重的散热器，从而增加系统成本和空间。

相反，传导损耗较低的元件可以在较低频率下高效工作，但其短路耐受能力会降低。图3 说明了这种权衡。

图3 电机控制设计在传导损耗、开关损耗和短路承受能力方面的权衡（参考安全工作区域）

安全工作区(SOA) 注意事项

对于在接近电流和电压最大值的情况下工作的IGBT，需要仔细考虑如何安全地将这些参数维持在数据表指定值内。主要重点是保持集电极电流低于最大值，同时保持集电极到发射极电压低于数据表中指定的值。当在正向偏置安全工作区(FBSOA) 内的正向偏置条件下工作时，需要额外考虑脉冲宽度和热设计阻抗方面的最大脉冲集电极电流。对于最大集电极-发射极电压，FBSOA 定义了最大饱和集电极电流，通常用于感性负载。在反向偏置安全工作区(RBSOA) 内的反向偏置条件下，最大电流与关断期间集电极和发射极之间的峰值电压有关。为了在最大结温下保护快速恢复二极管，必须遵守最大限制。

综上所述

在电机控制应用的逆变器中使用IGBT 可帮助设计人员实现降低系统成本的目标，因为这些组件的芯片尺寸较小，可实现更高的电流密度设计。特别是，Bourns 分立IGBT 支持更高温度运行，并提供更好的能力从IGBT 封装中散热。 Bourns IGBT 采用热效率设计，可提供更低的运行损耗、更大的过载和更高的短路电流承受能力，从而提供卓越的开关设计解决方案。

此外，还需要进行优化来平衡IGBT 的传导损耗和开关损耗，并根据最终产品中使用的电机类型定制特定的应用需求。对于电机控制应用，采用TO-247 封装的共同封装600 V/650 V 沟槽栅极场截止(TGFS) IGBT+FRD 被认为是理想的组件解决方案。由于总功耗较低，与上一代平面IGBT 相比，这些IGBT 组件具有更高的热性能、低VCE(sat) 和高效率以及高可靠性。