高压变频器中IGBT模块的选择及计算分析
高压变频器中IGBT 模块的选择及计算分析
Ｔｈｅ Ｏｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＩＧＢＴ Ｍｏｄｕｌａｒ ｉｎ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ
吴加林（成都佳灵电气制造有限公司 四川 成都 ６１００４３）
Ｗｕ ｊｉａｌｉｎ （Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｊｉａｌｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｃｈｅｎｇｄｕ ｃｉｔｙ Ｓｉｃｈｕａｎ ６１００４３）
摘 要：本文阐述了目前变频器应用中常用的几种模块，如IGCT 、IEGT 、GTO 、IGBT 。通过计算分析比较，得出IGBT 是目前性价比较好的器件。
关键词：ＩＧＢＴ模块 计算 分析
Abstract ：This paper elaborates some kinds of present module that frequency converter uses frequently in application, if IGCT, IEGT, GTO, IGBT. Through calculating analysis to compare, reaching IGBT is presently price to compare good device. Keywords ：IGBT modular Calculate Analysis
1、概述
由于我国元器件工业落后，还不能生产高压IGBT ，西方国家仍对中国实行技术封锁。比如6500V IGBT 仍不向中国出口，且不论其价格不菲。在直接串联技术选用什么样的功率开关器件对决定变频器的性价比至关重要。
目前可选的器件有好几种，如IGCT 、IEGT 、GTO 、IGBT ，而IGBT 则又分为1700V ，3300V ，6500V 。而各器件厂家都宣称自己的器件最好。到底选哪一种器件，其性价比较好，让我们进行一些具体比较，比较的依据为各厂家产品样本所列的技术参数。
2、几种常用的功率器件
变频器向前发展，一直是随着电力电子器件的发展而发展。只要电力电子器件有了新的飞跃，变频器就一定有个新飞跃，必定有新的变频器出现。在20世纪50年代出现了硅晶闸管(SCR)；60年代出现可关断晶闸管(GTO 晶闸管)；70年代出现了高功率晶体管(GTR)和功率场效应管(MOSFET)；80年代相继出现了绝缘栅双极功率晶体管(IGBT)以及门控晶闸管(IGCT)和电力加强注入型绝缘栅极晶体管（IEGT ），90年代出现智能功率模块(IPM)。由于这些元器件的出现，相应出现了以这些逆变器件为主的变频器，反过来，变频器要求逆变器件有个理想的静态特性：在阻断状态时，能承受高电压；在导通状态时，能大电流通过和低的导通压降，损耗小，发热量小；在开关状态转换时，具有短的开、关时间，即开关频率高，而且能承受高的du/dt ；全控功能，寿命长、结构紧凑、体积小等特点，当然还要求成本低。上述这些电力电子器件有些是满足部分要求，有些是逐步向这个方向发展，达到完善的要求，特别是中（高）压变频器更需要耐压高的元器件。
3、模块选择分析
3.1 相关定义及公式
我们以设计一台中压变频器为例，直流工作电压为3600V ，。设电机功率因数为0.8，载波频率为3kHz ，输出频率为50Hz ，采用下列公式分别用不同功率开关器件构成变频器的一个开关组件的指标进行估算。以400A 的峰值电流I cp 计算，采用下列估算公式：
1. 稳定功耗
P ss =I CP U ce(sat)∫ππ021sin 2x
dx x 2
)sin(1θ?+ =I cp U ce(sat)[θπcos 381(D +] 2. 开关功耗
P sw =（E sw(on) +E sw(off)）xdx sin 210∫π
π
=（E sw(on)+E sw(off)）F sw
π1
3. 总功耗
Pc=Pss+Psw
式中E sw(on)——每一个脉冲对应的IGBT 开通能量(Tj =125 ℃；峰值电流Ｉｃｐ条件下)；
E sw(off)——每个脉冲对应的IGBT关断能量（Tj=125 ℃；峰值电流Ｉｃｐ条件下）；
P sw——变频器每臂的PWM开关功率
I cp——正弦输出电流的峰值（通常I cp=I ep）
U ce（sat）——IGBT的饱和电压降（Tj=125 ℃；峰值电流Ｉｃｐ条件下）；
D——PWM信号占空比；
cos）
θ——输出电压与电流之间的相位角（功率因数=θ
将D取0.5，则得出
稳定功耗
P ss=I cp U ce（sat）?0.1425
=0.1425?I cp U ce（sat）
开关功耗
P sw=（E sw(on)+ E sw(off)）
=955.4?（E sw(on)+E sw(off)）
总功耗P c=P ss+P sw
3.2 IGBT模块计算分析
首先以1700V、3300V、6500V的IGBT进行比较。为使中压变频器达到3600V的工作电压，需用4只1 700V的管子串联，或者需2只3300V的管子串联，6500V的管子不串联。
（1）用4只1700V管子串联，型号为FZ400R17E3，其相关技术数据如下：
U ce（sat）=2.4V
E sw(on) =150mJ
E sw(off)=125mJ
P ss=0.1425?400?2.4?4=547.2W
P sw=955.4?（E sw(on)+E sw(off)?4
=955.4?（0.15+0.125）?4=1050W
则P c1=P ss+P sw=547.2+1050=1597W
（2）用2只3300V IGBT串联，型号为FF400R33KF2，其相关技术数据如下：
U ce（sat）=2.8V
E sw(on)=960mJ
E sw(off )=510mJ
则P sw=955.4?（E sw(on)+E sw(off)）?2
=955.4?（0.91+0.51）?2=2808W
P ss=0.1425?400?2.8?2=319W
P c2=Pss+Psw=319+2808=3127W
（3）用1只6500V的IGBT，型号为FZ400R65KF1，其相关技术数据如下：
U ce（sat）=3.9V
E sw(on)=4J
E sw(off )=2.3J
则P ss=0.1425?400?3.9=222W
P sw=955.4?（4+2.3）=6019W
P c3=P ss+P sw=222+6019=6241W
3.3 IEGT模块计算分析
将IEGT与1700V IGBT进行比较，其他条件不变。IEGT我们选择ST750GXH21型号，其相关技术数据如下：
I cp=750A
U ce=4.5V
U cc=2400V
E sw(on)=2.5J
E sw(off )=3J
则P ss=0.1425?I cp?U ce（sat）
=0.1425?750?4.5=481W
P sw=955.4?（E sw(on)+ E sw(off)）
=955.4?（2.5+3）=5255W
P c4=P ss+P sw=481+5255=5736W
因其工作电压Ucc=2700V，则用3只FZ400R17E3串联后两串再并联。
计算后功耗为：
P c5=2396W
4 结论
IGCT的情况比6500V IGBT或IEGT效果更差，这里不再对IGCT进行比较。
现在将上述计算结果进行对比，在完成完全相同的任务时，以1700V的IGBT器件为基准，不同电压等级的器件消耗的功率之比率如下：
1700V IGBT
P c1/P c1=1597÷1597=1
3300V IGBT
P c2/P c1=3127÷1597=2
6500V IGBT
P c3/P c1=6241÷1597=3.9
4500V IEGT
P c4/P c5=5736÷2396=2.39
从上述计算中，可以看出用1700V的IGBT串联，有特别明显的优势：
1、在相同的损耗下，低压IGBT可以获得更高的开关频率，从而获得更好的输出电压波形。反之，其他器件开关损耗大了，散热成了大问题，解决办法只有降低开关频率，这必然带来波形变差，性能下降。
2、1700V IGBT，批量生产技术成熟，质量可靠，货源充分，国内自行开发难度较低，不受制于人，特别是用于军事上时。
3、价格对比更是巨大。
参考文献
1 吴忠智，吴加林变频器应用手册（第2版）[M] 机械工业出版社 2002年
2 吴忠智，吴加林中（高）压大功率变频器应用手册[M] 机械工业出版社 2003年
吴加林简介
吴加林(1953——)，男，大学毕业。中国变频技术开拓者，享受政府津贴的变频技术专家，中国优秀民营企业家，成都佳灵电气制造有限公司总裁。多项国家火炬计划项目及国家重点创新项目的负责人。在中（高）压变频器领域及电机调速控制理论方面有突破性的研究，拥有三十多项专利，在国内外发表论文数十篇，专著多本。