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英飞凌 IGBT
当今世界对于能源的需求快速增长，其中的很大一部分来自在不同气候带运行的空调系统。利用低成本高性能功率电子变频驱动，可大幅度降低能耗。
变频器功率电子设备的需求日益增长
对这些系统需求的增长促进了高能效系统的采用，而高能效系统只能通过利用现代化功率半导体器件实现。终端用户的节能需求以及***号召空调系统的压缩机和风扇采用先进解决方案的计划推动了功率电子需求的增长。功率电子设备的使用是洗衣机、冰箱、冷冻装置和干燥器行业的一大趋势，许多白色家电将受益于变频器的使用。白色家电厂商掀起的变频浪潮将能够降低家电产品的能耗，使其能效能够超越通常的A++等能效级别的要求。市场上每年在能效方面表现最佳的产品或者能效超出A级能效要求40%的产品可加贴“A-40%”标签的新战略，使部分产品从竞争中脱颖而出。
英飞凌可针对空调系统的功率电子设备提供多种节能芯片。为了使工程师能够尽快采用我们的设备，我们开发出一种能以最少材料实现压缩机和风扇高效可靠控制的参考设计（如图1所示）。该参考设计分为变频器部分和控制部分，分别通过两个不同的印刷电路板实现。这使用户能够进行不同控制器的互换和采用现有的控制解决方案。
图1：面向空调系统的应用参考设计
该参考设计采用业界标准的磁场定向控制方法，以单支路解决方案降低能耗和提高舒适性。空调系统中采用感应电机非常普遍，但是它们通常以恒速运行。由于简单易用，因此经常采用低效的机械转换级。永磁同步电机的使用不仅缩小了系统尺寸，而且还降低了噪音，提高了效率。
空调系统的创新半导体
目前的趋势是功率电子设备以分立器件的形式应用于特定的应用中。过去，由于设计程序和生产工艺方面可以得以简化，电机变频器更多地采用模块化设计。由于采购战略的多元化和能够灵活选择不同的半导体，目前的趋势发生了逆转 ——以分立器件来降低成本。微控制器、驱动器和功率半导体能够根据所需配置进行排布。但是，不仅最佳器件的选择是个问题，而且还必须考虑热设计和生产设施。为了帮助我们的客户实现该项工艺，我们推出了“空调变频器套件”，指导工程师实现低成本系统设计。通过一个PCB可对1.2kW的压缩机和200W的风扇进行控制。该电路板能够使用100V和230V的电源，实现电机变频器和PFC控制： 8位微控制器（XC-878）用于控制PFC和一台电机，16位微控制器（XE-164）用于控制两台电机和PFC。
在采用B6全桥配置的空调变频器中，IGBT是首选的功率半导体，因为它具有高功率密度和反并联二极管的良好换向性能。目前最新的IGBT TRENCHSTOP™ 技术在所有频率级别都取代了传统非穿通型和穿通型IGBT，能够大大改善功率损耗、EMC性能和成本效益。
通常，变频器中使用的IGBT采用双芯封装。英飞凌的新型逆导驱动技术将二极管芯片集成在IGBT中（如图2所示）。
图2：IGBT发展而来的垂直结构
单片集成最多可比普通双芯片解决方案的尺寸减小40%。如果相同电流级别采用更小的封装，这将使其应用得到普及。典型的TO-220或TO-263（D²-PAK）能够被更小的TO-251（I-PAK）或TO-252（D-PAK）取代，这不但减小了PCB的占板空间，而且还降低了成本，节省了空间。该参考设计为压缩机采用15A SMD器件，为风扇采用采用4A SMD器件。通常这些变频级采用5kHz - 16kHz的频率，因为更高的开关频率将会影响性能，对于压缩机而言，应采用5kHz的频率，对于风扇而言，应采用16kHz的频率。如果这些变频器用于实际环境中，压缩机的开关频率可以根据功率和噪音限制相应地提高。逆导驱动技术提供了非常低的传导损耗（Vcesat）和开关损耗（Ets），以及非常软的开关行为，从而降低了EMC。
最新的高速第三代技术使IGBT技术帮助PFC系统实行了高速开关功能。使用IGBT更换平面式MOSFET可进一步降低成本，使厂商更容易做出在系统中使用有源PFC的决策。再加上最新的采用ThinQ!技术的SiC二极管，在传统的67 kHz升压 PFC系统可使效率达到97%以上。如果选择使用更低的开关频率，例如40kHz，标准硅基二极管可以是正确的选择，这些基于英飞凌射极控制技术的功率二极管能够进一步降低功率设备的成本，但也增大了无源元件的尺寸。在板PFC功能可采用两种方式实现：在板PFC IC（ICE3PCS02G）可根据需要快速提供功能，PFC功能还可由微控制器提供。
优化控制算法
对于同步电机的开环控制而言，使用霍尔元件或反电动势感测技术实现梯形或阻塞换向可产生噪音——尤其在低速环境下，此外还限制了最大速度。由于具有低转矩脉动的正弦电流和宽速度范围（如图3所示），磁场定向控制（FOC）可提高总的系统效率。为了快速启动，评估套件中包括全部工具链。采用单路反馈环的两台逆变器都可实现磁场定向控制。
图3：空调系统磁场定向控制框图
空调系统的热概念
消除功率半导体的耗散损失是系统设计的关键问题。如果采用插入式封装技术（THT），可相对容易地消除耗散损失。对于THT技术而言，散热片通过导热膜与IGBT隔离，并夹在元件上。该技术的热传递非常高效，然而技术生产成本非常高。THT元件可采用表面贴装器件（SMD）替代，它们通常更容易融入生产工艺，无需人工干预。功率半导体可通过不同的方法与散热片连接在一起。最简洁的方法是使用IMS材料（绝缘金属基板），对于这种方法而言，铝被用作导热材料，其导热性能远远好于标准FR4材料。 在白色家电领域，由于成本较高，这些材料并没有得到广泛采用。为了改善SMD元件的散热性，英飞凌建议采用带有散热孔的两层FR4 PCB。采用200µm 的通孔，就可以实现IGBT引线框与散热片的良好热耦合。 这些在电路板的制造过程中通过铜电解几乎可以完成，为纯铜嵌入工艺提供了良好的替代方法。由于不再发生SMD封装流淌焊料的情况，通孔可以分布在IGBT引线框的表面。另外还可以采用较大的通孔。英飞凌建议将通孔排列在引线框的外侧。多种自粘胶导热片可作为PCB和散热片之间的隔离层。
结论和展望
最新的功率半导体技术不但提高了空调变频器的效率，而且还降低了系统成本。1kW以上的变频器拓扑采用小型SMD D-PAK，为提高功率密度提供了新的可能性。目前正在开发中的新IGBT将使这些器件能够在16kHz以上的频率条件下用于所有功率范围，从而提高变频器的舒适性。这些再加上性能强大的微控制器和驱动IC，将大大减少所用物料，并且提高系统的可靠性并降低成本。
作者：英飞凌公司IGBT应用工程负责人Thomas Kimmer和IGBT产品营销经理Mark Thomas
www.infineon.com/aircon
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