三级拓扑逆变器点燃650伏特IGBT需求
从逆变器设计来看,三级中性点箝位(Three-level Neutral-point-clamped)拓扑正加速普及,并扩散至中低功率电源转换器,以提供更高输出电压频谱效能,藉此缩减滤波器尺寸并降低成本,同时在不产生过多切换损耗之下,增加切换频率。
在三级NPC拓扑中,因为直流链电压(DC Link Voltage)无法获得良好平衡,故在此拓扑中需更高的阻断电压(Blocking Voltage),对此,支援650伏特崩溃电压的IGBT能有效满足此一设计需求,市场渗透率正逐渐翻扬。然而,通常较高的崩溃电压会使Vce(sat)增加,造成逆变器应用的效能降低,因此如何使650伏特IGBT的切换及导通损耗,维持与传统600伏特IGBT方案相同的程度,对晶片商和系统厂而言无疑是至关重要的努力方向。
IGBT的极间饱和电压(Vce(sat))及切换效能两者互为消长,主因係较高的崩溃电压设计所增加的Vce(sat)补偿值,可能使系统产生较大的切换损耗,因此在消长曲线中找到最佳设计平衡点,将是优化650伏特IGBT性能的关键。
为满足前述需求,新型场截止沟槽式(Field Stop Trench)IGBT遂应运而生,其具备650伏特崩溃电压、极低的Vce(sat)及抗短路能力,且效能已通过系统级评估验证。
场截止沟槽式IGBT兼具高压、低Vce(sat)效益
场截止沟槽式技术使用沟槽闸极架构,以及因应穿透特性的高掺杂n+缓衝层。由于具备前述特性,新型IGBT技术达成更高Cell密度,让特定硅面积拥有极低的导通压降;整体而言,其电流密度可较旧型场截止平面式方案多出一倍以上。
图1显示新型75安培(A)、650伏特场截止沟槽式IGBT,以及75安培、600伏特旧型场截止平面式IGBT两者的Vce(sat)与切换损耗特性比较,前者在25℃、75安培时,可达成1.65伏特Vce(sat),在相同条件下,后者则为1.9伏特。
图1 新型650伏特IGBT与旧型600伏特IGBT特性比较
一般而言,较高的IGBT阻断电压和较小的尺寸会使Vce(sat)增加,利用场截止沟槽式技术可在提升崩溃电压至650伏特的前提下,进一步缩减晶片面积,显着改善此一状况;因此,低Vce(sat)是新型场截止沟槽式IGBT的主要优点,同时还可减少在每一切换循环的关闭(Turn-off)能量损耗。
随着IGBT的电压特性有所改进,系统厂将能打造更高转换效率的逆变器,满足市场需求。值得注意的是,即使硅面积缩减,新型场截止沟槽式IGBT在因热逸散问题而故障之前,仍可提供5微秒(μs)抗短路时间,旧型IGBT则未支援此功能;此外,场截止沟槽式IGBT具备低关闭状态(Off-state)漏电流,且支援最高接面温度至175℃。大胜传统设计方案 650伏特IGBT效能亮眼
至于新型650伏特场截止沟槽式IGBT与使用类似方案的元件相比,在条件为Tj=25℃、Ic=80安培、Vce=400伏特、Vge=15伏特及Rg=5欧姆(Ω)的切换测试中,650伏特IGBT显示的关闭(Switching-off)能量损耗为183微焦耳(μJ),600伏特IGBT的切换损耗则为231微焦耳。
评估项目还包括共同封装的二极体(Diode)反向恢復特性,测试条件为If=40安培、Tj=125℃、Vr=400伏特及di/dt=500安培/微秒,在上述条件下,场截止沟槽式IGBT的Qrr为1.17微库伦(μC),远低于竞争者IGBT的3.98微库伦。
在桥式拓扑中,较低的Qrr值可减少单脚的IGBT开启(Switching-on)损耗;切换效能可採用商业用5.5kW併联型太阳能逆变器进行验证,其具备前端升压阶段和双极控制全桥式逆变器阶段,两阶段的切换频率皆为19kHz。在初始设计中,升压阶段维持不变,而是将650伏特IGBT和600伏特IGBT用于全桥式逆变器阶段。
图2显示逆变器导入两款IGBT效率测试结果,650伏特方案的EURO和CEC加权效率分别为94.37%及95.08%,而600伏特方案则分别为93.67%及94.37%,由于新型场截止沟槽式IGBT具备优异的切换效能,因此显示出更高的效率。
图2 逆变器导入新旧型IGBT的效率比较
图3则为新型50安培场截止沟槽式IGBT,以及旧式同级产品的比较,新方案在10安培及20安培状态下表现出优异的消长状况,此两种电流为大多数应用的实际运作电流。
图3 逆变器採用不同IGBT在10安培、20安培电流情况的效率表现
基于前述比较结果,可进一步估算系统中的功率损耗。假定目标系统为3kW额定混频全桥式逆变器,内建两个低端IGBT以线频进行切换,两个高端IGBT以17kHz进行切换,图4即为其功率损耗估算摘要。为验证功率损耗估算,可分别採用50安培/650伏特IGBT,以及功率损耗与其类似的3号IGBT做评比。
图4 新型IGBT与其他竞争方案的功率损耗预估
如图5所示,3kW系统在满载时,3号IGBT与50安培/650伏特IGBT的功耗相当接近,此状况完全符合估算,此外,效率断层会随着负载减少而逐渐变大,此状况亦符合图3的效率变化,在低电流位準时,50安培/650伏特IGBT的表现最优异。
图5 混频全桥式逆变器应用不同IGBT的效率比较
新型650伏特场截止沟槽式IGBT已于近期问世,且效能亦已通过系统厂评估,相较于旧型IGBT,新方案提供更好的DC及交流电(AC)特性,且抗短路时间及漏电流问题均有改善,可支援效率更高且更可靠的转换器系统。
上一篇:工程师讲解:管理电子系统浪涌 需加强系统保护
下一篇:如何创新电子技术以提升车内网路性能
推荐阅读最新更新时间:2023-10-12 22:34
Vishay线上图书馆
- 选型-汽车级表面贴装和通孔超快整流器
- 你知道吗?DC-LINK电容在高湿条件下具有高度稳定性
- microBUCK和microBRICK直流/直流稳压器解决方案
- SOP-4小型封装光伏MOSFET驱动器VOMDA1271
- 使用薄膜、大功率、背接触式电阻的优势
- SQJQ140E车规级N沟道40V MOSFET
- MathWorks 和 NXP 合作推出用于电池管理系统的 Model-Based Design Toolbox
- 意法半导体先进的电隔离栅极驱动器 STGAP3S为 IGBT 和 SiC MOSFET 提供灵活的保护功能
- 全新无隔膜固态锂电池技术问世:正负极距离小于0.000001米
- 东芝推出具有低导通电阻和高可靠性的适用于车载牵引逆变器的最新款1200 V SiC MOSFET
- 【“源”察秋毫系列】 下一代半导体氧化镓器件光电探测器应用与测试
- 采用自主设计封装,绝缘电阻显著提高!ROHM开发出更高电压xEV系统的SiC肖特基势垒二极管
- 艾迈斯欧司朗发布OSCONIQ® C 3030 LED:打造未来户外及体育场照明新标杆
- 氮化镓取代碳化硅?PI颠覆式1700V InnoMux2先来打个样
- 从隔离到三代半:一文看懂纳芯微的栅极驱动IC