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用于逆變器應用的耐用型650v溝道IGBT

來源:武漢科琪電子有限公司    編輯:佚名    時間:2016-11-4    點擊數:

  絕緣柵極雙極性晶體管(igbt)是具有高輸入阻抗和大雙極性電流能力的少數載流子功率器件。由于這些特性,igbt非常適合電力電子中的許多應用,尤其是電機驅動器、不間斷電源(ups)、可再生能源、電焊機、感應加熱爐具和其他需要高電流和高電壓能力的逆變器應用。短路耐受能力也是igbt用于逆變器應用的一項重要功能。

  在逆變器驅動ups或電機應用中,igbt如果在故障電機、輸出短路或輸入總線電壓直通情形中導通,可能會損壞。在這些條件下,經過igbt的電流快速增加直至飽和。在故障檢測和保護功能激活前,igbt將承受電壓力。從拓撲上看,三級中點箝位拓撲越來越普遍,甚至可應用到中低功率逆變器,因為更好的輸出電壓性能可減小濾波器尺寸并降低成本,同時在不過分犧牲開關損耗的情況下增加開關頻率。在這種情況下,650v擊穿電壓為滿足應用要求提供了極大的幫助。由于無法在三級npc拓撲中完美平衡直流母線電壓,較高的阻斷電壓對此拓撲極其重要。開發650v igbt時,將開關和傳導損耗保持在與600v igbt相同水平至關重要。通常較高的擊穿電壓會造成vce(sat)增加,并導致逆變器應用中的性能降低。

  同時,vce(sat)和開關性能存在權衡取舍。這意味著補償因較高電壓設計導致的vce(sat)增加可能會減慢開關性能,增加系統中的開關損耗。因此,在選擇曲線中找到最佳設計點對開發650v igbt至關重要。新的場截止溝道igbt正是為滿足這些要求而開發的。它具有650v擊穿電壓、極低的vce(sat)和短路耐受能力。新igbt的性能已通過系統級評估驗證。

  場截止溝道技術

  場截止溝道技術利用溝道柵結構和高度摻雜n+緩沖層獲得溝道穿通特性。借助這些功能,此新的igbt技術實現了比上一代技術更高的單元密度。因此,在給定硅面積下它具有低得多的通態壓降。新場截止溝道igbt的電流密度是之前場截止平面技術的兩倍以上。圖1顯示fgh75t65upd、新的75a/650v場截止溝道igbt和fgh75n60uf、75a/600v上一代場截止平面igbt的權衡特性。fgh75t65upd在25℃、75a時實現1.65v的vce(sat),而fgh75n60uf在相同條件下提供1.9v。考慮到擊穿電壓增加到650v和活動面積減小,此特性有顯著改進,因為較高的阻斷電壓和較小的尺寸導致vce(sat)增加。此低vce(sat)是新場截止溝道igbt的主要優勢。場截止溝道技術還減少了每轉換周期的關斷能耗,如圖1所示。此增強的權衡特性使逆變器設計能夠滿足較高系統效率的市場需求。盡管硅面積減小,新場截止溝道igbt在因熱失控出現故障之前提供5us短路耐受時間,這是上一代igbt無法提供的。新場截止溝道igbt也有較低的關斷狀態漏電流,最大結溫為175℃。

 

  圖1 權衡特性

  對比評估結果

  新場截止溝道igbt通過同樣利用類似場截止技術的競爭設備來評估。在tj=25℃、ic=80a、vce=400v、vge=15v和rg=5ohm的開關測試中,fgh75t65upd顯示183uj的關斷損耗。額定值為75a/600v的競爭產品igbt的開關損耗為231uj。評估相同封裝的二極管的反向恢復特性。測試條件為if=40a,tj=125℃,vr=400v,di/dt=500a/us。新場截止溝道igbt的qrr為1.17uc,比競爭產品igbt的3.98uc小很多。這個小qrr值可在橋拓撲的情況下減小橋臂中igbt的開通損耗。開關性能通過商業5.5kw額定值光伏并網逆變器來驗證,該逆變器具有前端升壓級和雙極性控制全橋逆變級。兩級的開關頻率均為19khz。升壓級保持原始設計不變,fgh75t65upd和競爭產品igbt應用于全橋逆變級。圖2顯示fgh75t65upd和競爭產品igbt的效率測試結果。fgh75t65upd的euro和cec加權效率為94.37%和95.08%,競爭產品igbt的分別為93.67%和94.37%。新場截止溝道igbt具有卓越的開關性能,因此效率更高。

 

  圖2 pv逆變器效率

  圖3顯示額定值為50a的新場截止溝道igbt、fgh50t65upd及其競爭產品的另一權衡取舍。fgh50t65upd顯示10a和20a的權衡取舍,這是多數應用中的實用工作電流水平。基于這些特性,估計系統中的功率損耗。目標系統是3kw額定混合頻率全橋逆變器。兩個低端igbt在線路頻率下切換,兩個高端igbt在17khz切換。估計的功率損耗在圖4中總結。要驗證功率損耗估計值,使用兩個igbt評估系統效率;fgh50t65upd和競爭產品3 igbt(與fgh50t65upd具有類似的功率損耗)。圖5顯示3kw逆變器系統的測量效率。競爭產品3 igbt在全負載時接近fgh50t65upd。這與估計值相匹配。此外,效率差距隨著負載的減小而變大。這也與圖3相符,圖3中顯示當電流水平較低時fgh50t65upd的性能優于競爭產品。

 

  圖3 pv逆變器效率

 

  圖4 功率損耗估計

 

  圖5 混合頻率全橋逆變器效率

  結論

  上文已介紹新的650v場截止溝道igbt并評估了其性能。新的igbt比上一代igbt提供更好的dc和ac特性、更長的短路耐受時間以及更低的漏電流。經過所有這些改進,新場截止溝道igbt可實現高效和可靠的逆變器系統。

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