Pagina 29 van: Aandrijftechniek – nummer 8 – 2020
29
IGBT-generatie 7,
een praktische
kijk op de voordelen
in motoraandrijvingen
TEKST / Rainer Weiss, Stefan Häuser
FOTO’S / SEMIKRON
>
I
GBT7 biedt vier belangrijke voordelen ten opzichte van
vorige generaties. Naast een hogere betrouwbaarheid
dankzij een verhoogde vochtbestendigheid, zijn dit
lagere geleidingsverliezen (Vce, sat), een verhoogde
overbelastingcapaciteit en een fysiek kleinere
chipgrootte. Dankzij het kleinere formaat van IGBT7-chips met
dezelfde nominale chipstroom, is het nu mogelijk om chips
met hogere nominale stromen in dezelfde modulebehuizing
onder te brengen. Dit resulteert in twee mogelijke opties om
IGBT7 toe te passen: ofwel in dezelfde stroomrating maar met
een kleiner chipoppervlak, of met hetzelfde chipoppervlak en
een verhoogde stroomrating.
De geleidingsverliezen van de IGBT7 zijn lager terwijl de
schakelverliezen vergelijkbaar zijn met die van IGBT4. Daarom
zijn de totale verliezen ook lager. Daarentegen heeft de IGBT7-
chip nu een hogere thermische weerstand Rth( j-c) vanwege
zijn kleinere formaat en dus een slechtere koeling. Desondanks
resulteren lagere verliezen in een hogere efficiency, welke dan
ook weer een gunstige uitwerking hebben op het koelen van
de halfgeleidermodules.
Praktische voorbeelden
Dit artikel gaat dieper in op de praktische voorbeelden
van de implementatie van IGBT7 en belicht de daaruit voort-
vloeiende voordelen. Het is gebaseerd op twee van de vier
SEMIKRON-vermogensmodules die zijn uitgerust met IGBT7.
Dit zijn SEMiX3 Press-fit en MiniSKiiP, beide de toonaange-
vende modules in toepassingen voor motoraandrijvingen.
Bij deze modules kan het nominale stroombereik worden
verhoogd door IGBT4 te vervangen door IGBT7.
De maximale nominale stroom met IGBT4 in SEMiX3 Press-
fit is 600A voor de SEMiX603GB12E4. Met de IGBT7 neemt de
maximale nominale stroom in de SEMiX703GB12M7 met 16%
toe tot 700A. Hiernaast is de 600A-versie SEMiX603GB12M7
ook beschikbaar.
Binnen de MiniSKiiP-serie zullen we kijken naar de groot-
ste sixpack-vermogensmodules. De SKiiP39AC12T4V1 is geba-
seerd op IGBT4, uitgerust met een 3-fase inverter-uitgang met
een nominale IGBT-stroom van 150A. Bij het overschakelen naar
IGBT7 komen er twee opties beschikbaar in dezelfde module-
behuizing. De eerste optie is het onderbrengen van een chip
met dezelfde nominale stroom om een SKiiP39AC12T7V1 te
maken met een nominale stroom van 150A. Als alternatief
hierop kan op hetzelfde IGBT-chipoppervlak een chip met een
grotere stroom worden geplaatst. Deze SKiiP39AC12T7V10 heeft
hierdoor een nominale stroom van 200A.
Motoraandrijvingen
In toepassingen als motoraandrijvingen is de IGBT meestal
het vermogens beperkende halfgeleideronderdeel. Elektrische
machines hebben een arbeidsfactor cosphi van 0,7 tot 0,95.
Daarom stroomt tijdens elke schakelcyclus in motoraandrij-
vingen de stroom langer door de IGBT’s dan door de anti paral-
lelle vrijloopdiodes. Dit is waar het meeste voordeel uit IGBT7
IGBT’s gehaald kan worden.
Laten we, voordat we verder in detail treden, nog een ander
voordeel van de IGBT7 bekijken: het verbeterde EMC gedrag
in motoraandrijvingen. De spanning-steilheid (dv/dt) aan de
inverter-uitgang van moderne IGBT-chips is meestal relatief
hoog vanwege het snelle schakelgedrag. De spanningsverande-
ring veroorzaakt samen met de aanwezige kabelcapaciteit een
parasitaire capacitieve lekstroom. Dit resulteert in geleide en
uitgestraalde storingsemissies van de omvormer. Deze emis-
sies moeten uiteindelijk worden teruggebracht tot bepaalde
limieten welke in de normeringen en standaarden zijn vast-
gelegd. HF EMC filters worden gebruikt om de storingsemissie
tot het gewenste niveau te reduceren.
Acceptabele schakelverliezen
Ook wordt er een hoger capacitieve stroom toegevoegd
aan de uitgangsstroom. Hierdoor moet er wellicht een
hoger uitgangsvermogen voor de regelaar gekozen worden.
Bovendien zorgen de bovengenoemde capacitieve stromen
tot hogere verliezen in de halfgeleidermodule. Uiteindelijk
kan een hoge dv/dt-waarde ook capacitieve stromen door
de lagers genereren, resulterend in vroegtijdige uitval van de
lagers, waardoor toepassing en het gebruik van dure geïso-
leerde lagers noodzakelijk is.
Het verlagen van de dv/dt-waarde vermindert de capaci-
tieve stromen en daarmee alle bovengenoemde risico’s. Aan
de andere kant zal langzamer schakelen resulteren in een
toename van schakelverliezen, waardoor de efficiëntie van de
28-29-30-31-32_semikron.indd 29 16-11-20 15:15