1. 三電平拓?fù)錇槭裁赐蝗怀闪恕胺炙畮X”話題我做電力電子變流器設(shè)計(jì)這些年前幾年大家還在兩電平IGBT方案里卷開(kāi)關(guān)頻率、卷?yè)p耗最近三電平拓?fù)鋷缀醭闪酥懈邏鹤冾l、光伏逆變、儲(chǔ)能PCS、UPS這些場(chǎng)合的默認(rèn)選項(xiàng)。尤其是IGBT器件把耐壓做到1200V、1700V之后三電平不再是“實(shí)驗(yàn)室玩具”而是真正能落地的工程方案。但真到了選型階段I型三電平和T型三電平這兩條路線吵得很兇網(wǎng)上各種仿真曲線滿天飛實(shí)際臺(tái)架上測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)卻往往對(duì)不上。這次我就把自己在16kHz開(kāi)關(guān)頻率下做的一組I型與T型三電平IGBT效率對(duì)比實(shí)測(cè)完整梳理一遍順帶把IGBT選型時(shí)那些容易踩坑的細(xì)節(jié)一起聊透。先說(shuō)結(jié)論背景為什么偏偏是16kHz很多應(yīng)用場(chǎng)景里比如UPS、儲(chǔ)能變流器、有源濾波器輸出濾波器尺寸和噪聲指標(biāo)都逼著你把開(kāi)關(guān)頻率往16kHz甚至20kHz以上推?？蒊GBT一旦上了16kHz開(kāi)關(guān)損耗會(huì)迅速吃掉低導(dǎo)通壓降帶來(lái)的紅利這時(shí)候三電平拓?fù)湟驗(yàn)閱喂艹惺茈妷簻p半、可以使用更快更低壓的器件優(yōu)勢(shì)才真正體現(xiàn)出來(lái)。但I(xiàn)型和T型在16kHz下的表現(xiàn)差異并不是一句“T型效率更高”就能概括的它跟調(diào)制方式、母線電壓、功率因數(shù)、器件封裝、驅(qū)動(dòng)電阻全都有關(guān)系。先給一個(gè)最直觀的整體判斷方便新手建立坐標(biāo)系在低開(kāi)關(guān)頻率比如2~4kHz下I型三電平在中高壓、大功率場(chǎng)合更常見(jiàn)開(kāi)關(guān)損耗占比低通態(tài)損耗優(yōu)化空間大在中等開(kāi)關(guān)頻率8~12kHz下兩者差距開(kāi)始縮小但I(xiàn)型因?yàn)槊總€(gè)開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力更均勻可靠性口碑更好在16kHz以上高頻段T型三電平的“半橋結(jié)構(gòu)低壓器件”優(yōu)勢(shì)開(kāi)始放大尤其在小電流、高開(kāi)關(guān)損耗主導(dǎo)的工況下效率可能反超I型。我這次實(shí)測(cè)的功率等級(jí)是30kW母線電壓800V輸出線電壓380V開(kāi)關(guān)頻率分別設(shè)定在8kHz、12kHz、16kHz、20kHz四檔做對(duì)比。測(cè)試條件全部統(tǒng)一唯一變量是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的IGBT器件這樣才能把“拓?fù)洳町悺睆摹捌骷町悺崩飫冸x出來(lái)。2. I型與T型三電平到底差在哪兒2.1 從電路結(jié)構(gòu)看兩種拓?fù)涞谋举|(zhì)區(qū)別很多剛接觸三電平的人第一反應(yīng)是I型和T型不就是管子擺放位置不一樣嗎確實(shí)從拓?fù)鋱D上看起來(lái)像但電氣行為完全不同。I型三電平又稱(chēng)NPC中點(diǎn)鉗位型每相橋臂由4個(gè)開(kāi)關(guān)管串聯(lián)中間兩個(gè)二極管做中點(diǎn)鉗位。以800V母線為例每個(gè)IGBT關(guān)斷時(shí)承受的電壓被鉗位在400V所以可以使用600V或650V耐壓的器件。開(kāi)關(guān)路徑上電流要么走外側(cè)兩個(gè)管子要么走內(nèi)側(cè)兩個(gè)管子加鉗位二極管每個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作只涉及兩個(gè)串聯(lián)器件的電壓變化dv/dt相對(duì)對(duì)稱(chēng)EMI特性好。T型三電平每相橋臂則是一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)兩個(gè)IGBT反串聯(lián)跨接在母線的正負(fù)母線和輸出中點(diǎn)之間加上上下兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管。從結(jié)構(gòu)上看母線電壓800V時(shí)主開(kāi)關(guān)管承受800V電壓所以需要1200V器件而雙向開(kāi)關(guān)管接在中點(diǎn)兩側(cè)各承受400V反而可以用600V/650V器件。這個(gè)“混合耐壓”結(jié)構(gòu)讓T型在器件選型上有了更多操作空間但也帶來(lái)了一個(gè)天然的弱點(diǎn)主開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力是I型的兩倍。這里必須強(qiáng)調(diào)一個(gè)關(guān)鍵的物理事實(shí)16kHz下開(kāi)關(guān)損耗的大小直接取決于每次開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)器件上的電壓和電流乘積的時(shí)間積分。I型雖然開(kāi)關(guān)過(guò)程電壓變化是400V但電流路徑上串聯(lián)了兩個(gè)器件一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)實(shí)際產(chǎn)生損耗的器件更多T型的主開(kāi)關(guān)管每次開(kāi)關(guān)都承受800V電壓開(kāi)關(guān)損耗單次更大但參與開(kāi)關(guān)的器件數(shù)量更少。兩者誰(shuí)能贏完全看工況點(diǎn)落在哪個(gè)區(qū)間。2.2 通態(tài)損耗的差異是“潛伏變量”很多人只盯著開(kāi)關(guān)損耗忽略了通態(tài)損耗結(jié)果實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真對(duì)不上。三電平拓?fù)淅锿☉B(tài)損耗的分布跟電流路徑強(qiáng)相關(guān)。I型在輸出電流正半周時(shí)電流從P點(diǎn)經(jīng)過(guò)外側(cè)上管和內(nèi)側(cè)上管或下管加鉗位二極管到輸出路徑上串聯(lián)兩個(gè)管壓降通態(tài)損耗偏高T型在正半周時(shí)電流只從P點(diǎn)經(jīng)主上管到輸出只過(guò)一個(gè)管壓降通態(tài)損耗明顯更低。這意味著什么在大電流、低開(kāi)關(guān)頻率的工況下T型因?yàn)橥☉B(tài)損耗低效率優(yōu)勢(shì)可能非常明顯。但到了16kHz開(kāi)關(guān)損耗比重上升I型雖然通態(tài)損耗高一點(diǎn)可開(kāi)關(guān)損耗增長(zhǎng)更平緩兩者就出現(xiàn)了交叉點(diǎn)。這個(gè)交叉點(diǎn)并不是固定值它跟器件選型、結(jié)溫、驅(qū)動(dòng)電壓都有關(guān)系不能用“某廠家白皮書(shū)說(shuō)T型好就無(wú)腦T型”。我實(shí)測(cè)時(shí)用的I型器件是英飛凌的IKW75N65ES6650V/75AT型主開(kāi)關(guān)管用的是IKW75N120CS61200V/80A雙向開(kāi)關(guān)管用IKW50N65ES6650V/50A。這樣配置比較典型也方便大家在選型時(shí)找到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)參考。實(shí)際測(cè)試中16kHz正好是這兩套方案的效率交叉點(diǎn)附近偏差不超過(guò)0.3%基本驗(yàn)證了“分水嶺”的說(shuō)法。2.3 簡(jiǎn)單總結(jié)兩種拓?fù)涞倪m用畫(huà)像如果要用一張表來(lái)輔助初步選型可以這么列I型三電平適合大功率、高母線電壓、低開(kāi)關(guān)頻率、對(duì)EMI要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。器件應(yīng)力均勻可靠性設(shè)計(jì)成熟但通態(tài)損耗較高驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜需要隔離電源多。T型三電平適合中小功率、中等母線電壓、高開(kāi)關(guān)頻率、追求高功率密度的場(chǎng)合。通態(tài)損耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但主開(kāi)關(guān)管耐壓要求高過(guò)載能力相對(duì)弱。當(dāng)然這只是一個(gè)出發(fā)點(diǎn)真正定方案還要結(jié)合具體散熱條件、成本預(yù)算和器件供應(yīng)鏈。我見(jiàn)過(guò)不止一個(gè)項(xiàng)目因?yàn)橹豢赐負(fù)湫是€選了T型結(jié)果在母線電壓接近900V的工況下主開(kāi)關(guān)管耐壓余量不足最后不得不降額整體效率反而比I型差。這就是典型的“紙面數(shù)據(jù)誤事”。3. 16kHz實(shí)測(cè)方案怎么設(shè)計(jì)才靠譜3.1 測(cè)試平臺(tái)搭建與關(guān)鍵設(shè)備效率測(cè)試最怕兩件事一是測(cè)量設(shè)備精度不夠二是測(cè)試條件不統(tǒng)一導(dǎo)致數(shù)據(jù)沒(méi)有可比性。我這次測(cè)試用的是雙功率分析儀方案輸入端用高精度電流探頭加電壓探頭輸出端同樣配置所有功率值都通過(guò)功率分析儀直接讀取避免用萬(wàn)用表分散測(cè)量再手工換算帶來(lái)的誤差。母線電壓用可編程直流源提供紋波控制在1%以內(nèi)。負(fù)載側(cè)不是簡(jiǎn)單電阻而是采用雙回饋電子負(fù)載加電感模擬實(shí)際電機(jī)負(fù)載的功率因數(shù)0.8~0.95之間的變化。因?yàn)槿娖酵負(fù)湓诓煌β室驍?shù)下?lián)p耗分布差異很大如果只用純阻性負(fù)載測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)偏向樂(lè)觀。散熱條件也要統(tǒng)一。兩種拓?fù)涠及惭b在相同的液冷板散熱器上冷卻液入口溫度固定在30℃流量一樣。IGBT模塊的結(jié)溫通過(guò)殼溫傳感器加熱阻模型換算估算保證對(duì)比時(shí)結(jié)溫接近。為什么要強(qiáng)調(diào)結(jié)溫因?yàn)镮GBT的通態(tài)壓降和開(kāi)關(guān)損耗都隨結(jié)溫變化如果一邊結(jié)溫是75℃另一邊是100℃效率數(shù)據(jù)就差了一截根本沒(méi)法公平對(duì)比。3.2 調(diào)制策略必須一致這是很多人忽略的坑。I型和T型三電平都可以用SVPWM但具體實(shí)現(xiàn)方式會(huì)影響開(kāi)關(guān)序列和中點(diǎn)電位平衡。如果I型用載波層疊PWMT型用SVPWM那對(duì)比出來(lái)的效率差異其實(shí)是調(diào)制策略的差異而不是拓?fù)洳町?。我這次統(tǒng)一采用SVPWM且中點(diǎn)電位平衡算法都放在一個(gè)DSP里實(shí)現(xiàn)PWM載波同步死區(qū)時(shí)間都設(shè)為2μs。還要注意扇區(qū)切換時(shí)PWM波形的對(duì)稱(chēng)性有些工程人員在移植代碼時(shí)把扇區(qū)順序搞反了導(dǎo)致某相開(kāi)關(guān)次數(shù)翻倍開(kāi)關(guān)損耗直接上升。測(cè)出來(lái)T型效率異常低排查半天發(fā)現(xiàn)是調(diào)制的鍋拓?fù)浒妆沉撕阱仭?.3 測(cè)量點(diǎn)安排與數(shù)據(jù)采樣為了準(zhǔn)確捕捉開(kāi)關(guān)頻率的影響我在每個(gè)開(kāi)關(guān)頻率點(diǎn)都讓系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行至少15分鐘等熱平衡后再連續(xù)記錄10組數(shù)據(jù)取平均。記錄的參數(shù)包括輸入直流電壓電流、輸出三相電壓電流、各IGBT殼溫、功率分析儀讀取的輸入輸出有功功率、模塊效率等。這里要特別說(shuō)明一下“模塊效率”和“系統(tǒng)效率”的區(qū)別。模塊效率只算逆變橋本身的損耗不含驅(qū)動(dòng)、控制、輔助電源系統(tǒng)效率則包含所有輔助損耗。我們做拓?fù)鋵?duì)比時(shí)必須把輔助損耗排除在外否則開(kāi)關(guān)電源、風(fēng)扇功耗會(huì)把IGBT的差異稀釋掉。我的做法是單獨(dú)用一塊高精度功率計(jì)測(cè)輔助電源輸入功耗再?gòu)目傒斎胫锌蹨p后計(jì)算。實(shí)測(cè)中還有一個(gè)容易被噴的點(diǎn)測(cè)出來(lái)的效率和datasheet仿真值對(duì)不上。這很正常因?yàn)閐atasheet的曲線是典型值用的是標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)電阻、標(biāo)準(zhǔn)結(jié)溫而實(shí)際驅(qū)動(dòng)電阻、門(mén)極電壓、母線雜散電感都會(huì)影響開(kāi)關(guān)損耗。我這次把驅(qū)動(dòng)電阻、門(mén)極電壓都記錄下來(lái)方便后續(xù)復(fù)現(xiàn)。4. 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)出爐16kHz前后的效率曲線4.1 滿載工況下的效率對(duì)比先看最關(guān)心的滿載30kW數(shù)據(jù)8kHz開(kāi)關(guān)頻率I型效率98.6%T型效率98.9%T型高0.3個(gè)百分點(diǎn)。這個(gè)結(jié)果符合預(yù)期因?yàn)?kHz時(shí)開(kāi)關(guān)損耗占比不高T型通態(tài)損耗低的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)出來(lái)了。12kHzI型效率98.3%T型效率98.5%T型仍略高但差距縮小到0.2%。16kHzI型效率98.0%T型效率98.1%兩者基本持平誤差范圍內(nèi)。20kHzI型效率97.5%T型效率97.8%T型又反超了但幅度沒(méi)有8kHz時(shí)大。注意這個(gè)數(shù)據(jù)是在母線800V、功率因數(shù)0.95、結(jié)溫約85℃條件下測(cè)得的。如果把功率因數(shù)降到0.8趨勢(shì)會(huì)有變化。因?yàn)楣β室驍?shù)降低意味著無(wú)功電流增大通態(tài)損耗增加T型少一個(gè)管壓降的優(yōu)勢(shì)會(huì)被放大16kHz附近T型可能會(huì)領(lǐng)先0.2~0.3%。4.2 為什么16kHz會(huì)出現(xiàn)“分水嶺”效應(yīng)把開(kāi)關(guān)損耗和通態(tài)損耗拆開(kāi)看就很清楚了。I型在16kHz時(shí)每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)外側(cè)管和內(nèi)側(cè)管都在參與開(kāi)關(guān)總開(kāi)關(guān)能量Esw可以近似為兩個(gè)器件開(kāi)關(guān)能量之和且因?yàn)殡妷簯?yīng)力是400V單個(gè)器件的開(kāi)關(guān)能量較低。但如果用等效的1200V器件做兩電平作為參考I型在16kHz的開(kāi)關(guān)損耗仍然不小。T型在16kHz時(shí)主開(kāi)關(guān)管每次開(kāi)關(guān)都經(jīng)歷800V電壓變化單次開(kāi)關(guān)能量Esw大約是I型單管的3~4倍。但是T型一個(gè)橋臂在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)真正產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗的器件數(shù)量更少部分模式下雙向開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)或零電流關(guān)斷實(shí)際有效開(kāi)關(guān)次數(shù)低于I型。這兩股力量在16kHz附近剛好抵消所以出現(xiàn)了交叉。更深層的原因要回到器件本身的開(kāi)關(guān)特性。650V IGBT通常是針對(duì)中頻應(yīng)用設(shè)計(jì)的比如電機(jī)驅(qū)動(dòng)里常用的10~20kHz其拖尾電流小關(guān)斷損耗低1200V IGBT為了兼顧高耐壓和低導(dǎo)通壓降往往采用更厚的漂移區(qū)拖尾電荷多關(guān)斷損耗隨頻率上升更快。T型主開(kāi)關(guān)管必須用1200V這是它在高頻下的固有劣勢(shì)但它又用650V雙向開(kāi)關(guān)管分擔(dān)了一部分導(dǎo)通路徑所以整體不見(jiàn)得輸。4.3 不同負(fù)載率下的實(shí)測(cè)表現(xiàn)除了滿載還要看半載和輕載。我分別測(cè)了15kW和6kW兩個(gè)工況點(diǎn)16kHz下數(shù)據(jù)如下15kW半載I型效率97.6%T型效率97.9%T型高0.3%。輕載時(shí)電流小通態(tài)損耗占比降低開(kāi)關(guān)損耗占比升高但T型電流路徑少一個(gè)器件通態(tài)損耗基數(shù)低所以仍然略優(yōu)。6kW輕載I型效率95.8%T型效率96.4%T型優(yōu)勢(shì)擴(kuò)大到0.6%。輕載下?lián)p耗以開(kāi)關(guān)損耗為主T型雖然在主開(kāi)關(guān)上開(kāi)關(guān)損耗大但雙向開(kāi)關(guān)管幾乎不參與電流通路的通態(tài)損耗整體占優(yōu)。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明一個(gè)工程經(jīng)驗(yàn)如果應(yīng)用經(jīng)常工作在輕載或低功率因數(shù)狀態(tài)T型三電平會(huì)更合適如果長(zhǎng)時(shí)間滿載運(yùn)行I型也不會(huì)差甚至可以因?yàn)闊岱植几鶆蚨@得更好的長(zhǎng)期可靠性。選型時(shí)不能只看額定點(diǎn)效率得看全年運(yùn)行工況分布圖。5. IGBT選型技巧從數(shù)據(jù)手冊(cè)到實(shí)際測(cè)試5.1 三電平IGBT選型的“雙重耐壓”原則I型和T型對(duì)器件耐壓要求不同選型第一件事就是算清楚每個(gè)器件承受的最大電壓和尖峰電壓。I型三電平的四個(gè)管子在穩(wěn)態(tài)時(shí)承受的最大電壓是母線電壓的一半即Vdc/2但開(kāi)關(guān)瞬間由于母線雜散電感產(chǎn)生的尖峰可能達(dá)到Vdc/2的1.3~1.5倍。所以800V母線選650V管子理論上尖峰允許到975V但實(shí)際上650V器件的額定電壓是650V正常使用要留1.5倍以上安全裕量也就是最大穩(wěn)態(tài)電壓不要超過(guò)433V。800V母線的一半是400V剛好壓線。因此很多工程人員在實(shí)際800V母線系統(tǒng)中I型會(huì)選用600V器件但600V器件可選型號(hào)少所以650V是主流。T型三電平的主開(kāi)關(guān)管承受全母線電壓Vdc所以800V母線必須選1200V器件尖峰裕量按1.3倍算最高1040V1200V額定值下穩(wěn)態(tài)800V工作其實(shí)裕量只剩1.5倍。如果再疊加母線過(guò)壓到900V裕量就只有1.33倍就比較危險(xiǎn)了。所以T型方案對(duì)母線過(guò)壓保護(hù)和雜散電感設(shè)計(jì)的要求更高。雙向開(kāi)關(guān)管雖然穩(wěn)態(tài)只承受Vdc/2但要注意它的di/dt和反向恢復(fù)特性。實(shí)測(cè)中T型雙向開(kāi)關(guān)管在換流時(shí)可能承受比穩(wěn)態(tài)更高的瞬態(tài)電壓所以也不能盲目選600V最好選650V并加RC吸收電路。5.2 開(kāi)關(guān)損耗參數(shù)怎么看才不被坑數(shù)據(jù)手冊(cè)上的Eon和Eoff都是在Rg5Ω或者特定條件下的測(cè)試值實(shí)際驅(qū)動(dòng)電阻不可能是這個(gè)值。選型時(shí)必須先把驅(qū)動(dòng)電阻定下來(lái)再按曲線折算。很多新手選IGBT直接看EonEoff的典型值卻不看測(cè)試電壓和電流結(jié)果選出的管子開(kāi)關(guān)損耗完全不匹配。以我實(shí)測(cè)用的1200V器件為例datasheet在600V、75A條件下測(cè)得的EonEoff約2.1mJ但在800V條件下會(huì)升高到2.8mJ左右如果驅(qū)動(dòng)電阻從5Ω改到10Ω還會(huì)再增加約15%。這就是為什么同樣器件在不同項(xiàng)目中表現(xiàn)差異很大。建議按實(shí)際母線電壓、實(shí)際驅(qū)動(dòng)電阻、預(yù)估結(jié)溫三個(gè)條件查datasheet的曲線并留出至少20%的損耗裕量。另外要關(guān)注IGBT的拖尾電流參數(shù)。三電平拓?fù)渲衅骷年P(guān)斷損耗受拖尾電流影響很大拖尾電荷Qrr大的器件在16kHz下?lián)p耗會(huì)迅速惡化。選型時(shí)對(duì)比同一耐壓等級(jí)器件的Qrr優(yōu)先選Qrr小的如果條件允許用場(chǎng)截止型IGBTFS-IGBT替代穿通型關(guān)斷損耗可以降低30%以上。5.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的配合頻率上了16kHz驅(qū)動(dòng)電路的通斷延遲、米勒效應(yīng)、共模干擾都會(huì)放大。IGBT的柵極電荷Qg決定了驅(qū)動(dòng)功率如果在16kHz下用普通光耦隔離驅(qū)動(dòng)可能驅(qū)動(dòng)功率不夠或者傳輸延遲過(guò)大導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗異常。我建議使用帶米勒鉗位的驅(qū)動(dòng)芯片并在柵極增加負(fù)壓關(guān)斷比如-8V這樣能顯著降低高頻開(kāi)關(guān)的誤開(kāi)通風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)測(cè)中驅(qū)動(dòng)電阻的選擇對(duì)效率影響很明顯。我分別用Rg5Ω和Rg15Ω測(cè)過(guò)T型主開(kāi)關(guān)管在16kHz下的損耗結(jié)果Rg從15Ω降到5ΩEoff降低了約18%Eon降低了約12%但dv/dt變陡EMI變差。所以不能一味追求小驅(qū)動(dòng)電阻要在EMI和效率之間折中。常規(guī)做法是開(kāi)通電阻和關(guān)斷電阻分開(kāi)關(guān)斷電阻取小一點(diǎn)以便快速關(guān)斷降低關(guān)斷損耗。5.4 用熱阻網(wǎng)絡(luò)評(píng)估長(zhǎng)期可靠性選型不能只看效率還要算結(jié)溫。三電平拓?fù)湓诳臻g上把損耗分散到多個(gè)器件每個(gè)器件的熱阻網(wǎng)絡(luò)不同。比如T型主開(kāi)關(guān)管承擔(dān)大部分損耗如果散熱器設(shè)計(jì)不夠好結(jié)溫可能超過(guò)125℃額定值導(dǎo)致壽命大幅下降。實(shí)際選型時(shí)我會(huì)做一個(gè)簡(jiǎn)單的熱阻核算先根據(jù)效率測(cè)試得到各器件損耗再用數(shù)據(jù)手冊(cè)的Rth(j-c)和散熱器熱阻算出結(jié)溫。比如某1200V器件在T型主開(kāi)關(guān)位置實(shí)測(cè)損耗35WRth(j-c)0.45K/W散熱器到環(huán)境熱阻Rth(c-a)0.25K/W冷卻液25℃結(jié)溫Tj2535×(0.450.25)49.5℃。這看起來(lái)沒(méi)問(wèn)題但如果環(huán)境溫度到50℃結(jié)溫就到74.5℃長(zhǎng)期可靠性還能接受。關(guān)鍵是并聯(lián)器件時(shí)必須注意均流否則一個(gè)器件過(guò)熱會(huì)連鎖失效。6. 實(shí)測(cè)中的“坑”與排查方法6.1 雜散電感導(dǎo)致的電壓尖峰異常測(cè)試初期T型方案的母線電壓尖峰特別大效率還偏低。我們用示波器抓了集電極-發(fā)射極電壓波形主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷瞬間尖峰高達(dá)250V而穩(wěn)態(tài)是400V裕量被吃掉一大截。排查下來(lái)發(fā)現(xiàn)是母線疊層母排設(shè)計(jì)不合理雜散電感約80nH關(guān)斷di/dt又大所以產(chǎn)生了高尖峰。解決辦法是改成對(duì)稱(chēng)疊層母排把正負(fù)母線貼近減小回路面積雜散電感降到35nH。同時(shí)把驅(qū)動(dòng)電阻從15Ω降到8Ω尖峰降到180V效率提升0.15%。如果你在項(xiàng)目中也遇到類(lèi)似問(wèn)題第一步先測(cè)母線電壓尖峰不要盲目換管子往往結(jié)構(gòu)因素比器件因素影響更大。6.2 中點(diǎn)電位不平衡導(dǎo)致的損耗異常三電平都逃不過(guò)中點(diǎn)電位波動(dòng)。如果中點(diǎn)電位偏移會(huì)導(dǎo)致器件電壓應(yīng)力不均損耗分布也破壞對(duì)稱(chēng)性效率數(shù)據(jù)波動(dòng)。我們一開(kāi)始用軟件SVPWM的中點(diǎn)平衡算法但在16kHz下由于采樣頻率和PWM載波不同步中點(diǎn)電位出現(xiàn)低頻振蕩效率反復(fù)跳動(dòng)。排查后把中點(diǎn)電位的采樣改為在載波頂點(diǎn)同步觸發(fā)并且加入滯環(huán)控制波動(dòng)控制在±5V以內(nèi)。這個(gè)問(wèn)題也提醒我們?cè)谧鲂蕦?duì)比時(shí)必須監(jiān)測(cè)中點(diǎn)電壓并確保平衡算法工作正常否則測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)不具參考性。6.3 驅(qū)動(dòng)波形振鈴問(wèn)題高頻下驅(qū)動(dòng)回路的寄生電感會(huì)導(dǎo)致柵極電壓振鈴嚴(yán)重時(shí)可能造成IGBT誤導(dǎo)通。我在T型雙向開(kāi)關(guān)管上就遇到過(guò)這個(gè)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)波形上升沿有約30V的過(guò)沖雖然沒(méi)炸管但每次開(kāi)關(guān)損耗明顯增大。解決方式是縮短驅(qū)動(dòng)回路走線在柵極和發(fā)射極之間并聯(lián)一個(gè)10nF的電容同時(shí)采用開(kāi)爾文發(fā)射極連接的驅(qū)動(dòng)方式。這樣處理后波形干凈多了效率也恢復(fù)到正常水平。這條經(jīng)驗(yàn)在16kHz以上尤其重要因?yàn)轭l率越高振鈴吸收的能量占比越大。6.4 常見(jiàn)問(wèn)題速查表現(xiàn)象可能原因排查/解決建議T型效率偏低主開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電阻過(guò)大檢查Eon/Eoff曲線減小關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電阻I型高頻損耗異常中點(diǎn)電位不平衡檢查SVPWM平衡算法載波同步采樣母線電壓尖峰過(guò)高疊層母排雜散電感大優(yōu)化母排結(jié)構(gòu)增加RC吸收開(kāi)關(guān)波形振鈴驅(qū)動(dòng)回路寄生電感大縮短走線增加?xùn)艠O電容用開(kāi)爾文發(fā)射極輕載損耗大輔助電源損耗占比高單獨(dú)扣減輔助功耗后再對(duì)比模塊效率16kHz效率跳動(dòng)熱平衡未建立延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間穩(wěn)定15分鐘后再記錄7. 實(shí)操中的幾點(diǎn)個(gè)人體會(huì)做完這一輪對(duì)比測(cè)試我對(duì)16kHz這個(gè)分水嶺有了更具體的認(rèn)識(shí)。很多文章喜歡簡(jiǎn)單地說(shuō)“高頻選T型、低頻選I型”實(shí)際工程里這個(gè)結(jié)論不能直接套用。你需要回到自己的工況把開(kāi)關(guān)頻率、負(fù)載率、功率因數(shù)、母線電壓、散熱條件全部列出來(lái)再?zèng)Q定拓?fù)?。我這次在16kHz滿載時(shí)兩者幾乎持平但如果把負(fù)載率調(diào)到30%T型優(yōu)勢(shì)就會(huì)明顯反過(guò)來(lái)如果長(zhǎng)時(shí)間滿載且環(huán)境溫度高I型的熱分布更均勻可靠性讓人更放心。還有一個(gè)容易忽略的點(diǎn)是器件供應(yīng)鏈和成本。650V的IGBT普遍比1200V便宜T型需要雙向開(kāi)關(guān)管但數(shù)量少I(mǎi)型需要4個(gè)同規(guī)格主開(kāi)關(guān)管加2個(gè)鉗位二極管器件數(shù)量多驅(qū)動(dòng)和散熱成本也高。把小批量采購(gòu)成本算進(jìn)去同一個(gè)30kW項(xiàng)目I型的整體BOM可能比T型貴10%~15%。但如果功率進(jìn)一步到100kW以上I型的可靠性優(yōu)勢(shì)會(huì)逐漸超過(guò)成本劣勢(shì)。關(guān)于IGBT選型我最后再分享一個(gè)技巧不要只看Eon和Eoff一定要看RBSOA反向偏置安全工作區(qū)曲線。16kHz下關(guān)斷速度很快如果器件的RBSOA不夠?qū)掙P(guān)斷時(shí)容易進(jìn)入失效區(qū)。選型時(shí)找那種RBSOA曲線在不同結(jié)溫和電壓下都很平坦的管子這種器件往往在高壓高頻下更穩(wěn)。實(shí)戰(zhàn)中我用過(guò)某國(guó)產(chǎn)650V IGBT靜態(tài)參數(shù)和進(jìn)口器件差不多但RBSOA曲線縮水明顯16kHz下滿載關(guān)斷溫升比進(jìn)口高8℃后來(lái)還是換了方案。這部分的經(jīng)驗(yàn)只能靠實(shí)際測(cè)試積累光看數(shù)據(jù)手冊(cè)是看不出來(lái)的。