IGBT/FET用变压器

应用注释 电动机/变频器电路配置示例

电动机/变频器电路配置示例随着汽车电动化的发展,马达发生器的需求不断增加。马达与逆变器呈现一体化的趋势,小型、高耐热、耐振动要求也不断提高,因此对元件的高可靠性提出了要求。此外,根据不同配线电感,有时会发生较大的浪涌电压,因此配线及缓冲电容器相关措施不可或缺。同时,噪音对策也同样重要。

马达/发电机电路结构示例

驱动马达及发电机时使用了将直流变为交流的逆变器电路。逆变器电路中使用有IGBT等半导体开关,最近则使用了SiC等高速器件,通过高频化不断推进小型化趋势发展。大型马达驱动需要400V以上的电压,逆变器电路前段中使用有升压电路,同时为提高效率,一般会使用两个半导体开关。马达驱动时会迅速流过电流,连接升压电路与逆变器的高压线需要实现稳定化,因此会使用称为DC LINK的电容器。

图1 : 系统结构
系统结构系统结构

适用于DC Link/Snubber的电容器

SiC、Gan等高速器件得到越来越广泛的使用,逆变器也不断小型化,因此噪音对策变得越来越重要。根据不同配线电感,有时会发生较大的浪涌电压,因此配线及缓冲电容器相关措施不可或缺。

图2 : TDK电容器产品导览
TDK电容器产品导览
图3 : 代表性电容器

■薄膜电容器

B3277*H 系列

・适用于耐湿负荷环境试验条件
 (60℃x95%RH+Vrdc 1,000H)
・适用于450 V DC至1,100 V DC的直流电压范围
・适用于1.5µF至120 µF的静电容量范围

薄膜电容器

■CeraLink®

B58031* 系列

・额定电压500 V DC、700 V DC
 还可在900 V DC下使用
・低ESR(等效串联电阻)
·低ESL(等效串联电感)

CeraLink®

关于薄膜电容器

逆变器电路输入需要稳定的DC电压。由于马达是以低频驱动,因此吸收纹波部分需要较大的容量。薄膜电容器的允许纹波电流较大,因此适用于稳定电压。

表1 : 薄膜电容器的产品线
  适用于高输出
B3267x 系列
高密度
B3277x 系列
适用于高温度
B3277xP 系列
可靠性高
B3277xM 系列
电介质 金属化聚丙烯(MKP) 金属化聚丙烯(MKP) 金属化聚丙烯(MKP) 金属化聚丙烯(MKP)
Vdc 300, 450, 630, 780, 875 450, 800, 1100, 1300 630, 700, 840 450~1600
静电容量范围 / uH 0.47 to 270 1.5 to 480 1.0 to 50 1.5 to 170
工作温度 / ℃ 105 Max. 105 Max. 125 Max. 105 Max.
导线间隔 / mm 27.5 to 52.5 27.5 to 52.5 27.5 to 52.5 27.5 to 52.5
10kH下的电流处理 / A 5 to 108 5 to 79.5 3 to 25 5 to 36.5
气候测试条件 40℃ / 93% RH 40℃ / 93% RH 40℃ / 93% RH 额定
60℃ / 93% RH 额定
60℃ / 95% RH 额定
85℃ / 85% RH 额定
56天 56天 1000小时 @ 40℃
500小时 @ 60℃
1000小时 @ 60℃
1000小时 @ 60℃
应对AEC-Q200 - -

CeraLink®缓冲电路中的运用事例

马达驱动时会迅速流过电流。急剧的电流变化会造成大幅振荡电压,从而会导致半导体器件耐压恶化,并产生噪音。CeraLink虽然是SMD,但其拥有高耐压、高容量。通过SMD的优势在优化图案的同时,还可降低配线的寄生电感。此外,由于器件本身ESL较小,因此可减少振荡电压的产生。

图4 : CeraLink®缓冲电路中的运用事例
CeraLink®缓冲电路中的运用事例

要求值
●高静电容量密度:2 to 5 µF/cm³
●低ESL : 2.5 to 4 nH
●高耐热性CeraLink™可安装在半导体附近,并且最高可在150°C下工作。
●dV/dt 无限制。

图5 : CeraLinkTM在高频、高温下的损耗较小,因此允许纹波电流值较大
CeraLinkTM在高频、高温下的损耗较小,因此允许纹波电流值较大

关于IGBT/FET驱动用变压器

马达驱动用逆变器电路及大电力转换器中使用电桥电路。电桥电路由High side(高压)Low side(低压)半导体开关构成,驱动半导体开关时需要稳定电源。High side侧的电压尤为高,汽车马达中最大达到800V。与Low side侧之间需要绝缘电源,因此使用了小型、高耐压的变压器。此外,其中会使用多个半导体开关,而栅极电压一旦不均等则器件间可靠性将会不均匀,因此需要保持电压的均等化。

图6 : TDK变压器产品的特征
TDK变压器产品的特征
表2 : 因结构产生的不同与产品线
变压器种类 分散型变压器 集中型变压器
电路图 分散型变压器 集中型变压器
输出数 1 ~ 2 3 ~ 6
优点 小型化实现高自由度布局
重量轻有利于耐振动
整体成本低于分散型
缺点 每次输出的成本高于集中型 形状较大容易造成布局上的制约
与分散型相比,各NS绕组与NF之间容易产生键合偏差
重量较重不利于耐振动
共面度精度与分散型相比较为不利
产品 VGT10SEE-200S2A5
VGT12EEM-200S1A4
VGT15SEFD-200S1A4
VGT15EFD-200S3A6
VGT15SEFD-250S4A7
VGT22EPC-200S6A12

IGBT/FET驱动用变压器使用事例

大功率逆变器及升压电路中使用有IPM(Intelligent Power Module)。IPM是带有Power MOS FET及IGBT等功率器件以及驱动电路、自我保护功能的电力半导体器件。
用于驱动IPM的电源电压要求在15V±10%。为了与电力器件绝缘,通常会使用变压器,但变压器特性不佳则会导致电压稳定性降低。此外,为了确保绝缘可靠性,所使用的线材也十分重要,因此采用了在高温环境下也能保持高可靠性的线材。重视空间及成本时使用集中型变压器,而重视配置自由度及电压稳定性时则使用分散型变压器。

图7 : IGBT/FET驱动用变压器使用事例
IGBT/FET驱动用变压器使用事例

变压器所要求的特性

  • ・高可靠性  …… 次级侧的各绕组间需要绝缘
           (各绕组间时刻在长时间的严酷环境下施加高电压(400~800V))
  • ・高效化  …… 采用低漏磁、偏差小的结构与最佳设计
  • ・搭载性  …… 支持高频化,通过最佳Platform化实现小型化