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半導體 | 高速IGBT和SiC-SBD相結合的高速混合型模塊

供稿:FUJI-富士電機(中國)有限公司 2019/11/21 14:37:38

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  • 關鍵詞: 富士電機(中國) IGBT SiC-SBD
  • 摘要:近年來,為進一步實現電力轉換裝置的小型輕量化和高效化,需要在高頻區域進行電力轉換的應用日益增多,這就要求開關器件速度更快和損耗更低。

近年來,為進一步實現電力轉換裝置的小型輕量化和高效化,需要在高頻區域進行電力轉換的應用日益增多,這就要求開關器件速度更快和損耗更低。富士電機將高頻區域下,損耗低的高速IGBT和SiC-SBD相結合,開發了高速混合型模塊,實現了開關損耗的大幅降低。其結果,變頻器在高頻運行時產生的損耗與以往相比可降低約50%,有望用于要求小型輕量化及高效化的應用中。

1.高速混合型模塊的概述

圖1是功率器件的開關頻率和電力容量的應用情況。高速混合型模塊的主要應用在于可再生能源設備、車載相關設備、不間斷電源裝置(UPS:Uninterruptible Power System)等電力轉換裝置,需要在高頻率下進行電力轉換。

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圖1 高速混合型模塊的主要應用

表1是高速混合型模塊的外觀,表2是高速混合型模塊的產品系列。在高速混合型模塊中,采用了和以往Si模塊相同的封裝保持了兼容性,電路結構是高速IGBT和SiC-SBD相結合的2in1電路。IGBT方面以現有的IGBT為基礎,采用最適合進行高速開關的芯片,FWD(Free Wheeling Diode)方面采用了SiC-SBD芯片。

表1 高速混合型模塊

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表2 高速混合型模塊的產品系列

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2.高速混合型模塊的特點

為了實現通過高速開關促進裝置的小型化與高效化,改善IGBT模塊產生的損耗十分重要。模塊產生的損耗與IGBT和FWD等半導體芯片的特性存在密切關系。因此,本章將對高速開關用高速IGBT和SiC-SBD芯片的特性進行介紹。

▋2.1 高速IGBT 產生的關斷損耗的改善

圖2是1200V高速IGBT的集電極、發射極飽和電壓VCE(sat)-關斷損耗Eoff的均衡特性。高速IGBT的規格是以現有的IGBT為基礎,大幅降低寄生容量的活性區和抑制空穴注入的集電極層降低雜質濃度,與第7代“X系列”的IGBT相比,可減少關斷損耗,并令VCE(sat)-Eoff均衡特性適應高速開關。

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圖2 1200V高速IGBT的VCE(sat)-Eoff特性

圖3是額定1200V/200A的高速混合型模塊和X系列Si模塊的關斷波形的比較。高速混合型模塊大幅改善了關斷時的拖尾電流,與X系列Si模塊相比,關段損耗Eoff降低了33%。

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圖3 關斷波形

▋2.2 SiC-SBD的反向恢復損耗和開通損耗的改善

圖4是額定1200V/200A的高速混合型模塊和X系列Si模塊的反向恢復波形的比較。高速混合型模塊的反向恢復電流的峰值減小了約60%。這是由于SiC-SBD是一種單極元件、不存在少數載流子的注入。高速混合型模塊的反向恢復損耗Err,和X系列的Si模塊相比降低了92%。

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圖4 反向恢復波形

另外,FWD中反向恢復電流的峰值,被反映到了對臂側的IGBT的開通電流峰值中。如減小反向恢復電流的峰值,則開通電流的峰值也會變小,因此可降低開通損耗。圖5是額定1200V/200A的高速混合型模塊和X系列Si模塊的開通波形的比較。和反向恢復波形一樣,開通電流峰值減小了約60%,表現出了SiC-SBD的優秀特點。高速混合型模塊的開通損耗Eon,和X系列Si模塊相比降低了84%。

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圖5 開通波形

▋2.3 開關損耗降低效果

表3是高速混合型模塊和X系列Si模塊的損耗比較表。與X系列Si模塊相比,高速IGBT和SiC-SBD相結合的高速混合型模塊實現了總損耗大幅降低了66%。

表3 開關損耗比較

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3.高速混合型模塊的效果

下面以M276封裝的額定1200V/200A的產品為例,對搭載了該模塊的分散型小型功率調節器(PCS:Power Conditioning System)的變頻器損耗和芯片結合溫度進行介紹。

圖6是變頻器損耗的仿真結果。在開關頻率達20kHz以上的高頻領域內,在搭載了高速混合型模塊的變頻器產生的損耗中,IGBT的導通損耗Psat由于VCE(sat)較高,與搭載了X系列Si模塊時相比有少許增加,但開關損耗大幅降低。

最終結果,總損耗可降低50%。另外,提高開關頻率后總損耗降低的比率增高,有助于通過變頻器的高頻運行實現高效運轉及小型化。

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圖6 基于仿真的變頻器損耗的比較

圖7是搭載于變頻器時的芯片接合溫度。在開關頻率為20kHz時,高速混合型模塊的芯片接合溫度與搭載X系列Si模塊時相比,IGBT約低18℃,FWD約低19℃,因此變頻器高頻運行時可增大輸出電流。

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圖7 搭載變頻器時的芯片接合溫度

4.對電力轉換裝置的幫助

圖8是電感器體積和開關頻率的依存性。當開關頻率達到30kHz的高頻率時,與10kHz時相比,電感器體積可減小約50%。通過高速開關使電感器等被動型元器件小型化,可實現裝置整體的小型化,有望降低成本。

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圖8 電感器體積和開關頻率的依存性

圖9是PCS中使用高速混合型模塊的應用實例,圖10是UPS中使用高速混合模塊的應用實例。分布式太陽能發電的普及要求PCS的小型輕量化。而在服務器與數據中心,為了保證高可靠性,需要并聯冗余式UPS。在并聯冗余構成方式中,由于使用了多個UPS,要求裝置的小型化。通過搭載高速混合型模塊,體積與重量都很大的電感器或電容器等濾波電路,在高頻率下實現了小型化,因此可幫助實現裝置的小型輕量化。此外,由于高頻領域下的損耗低,有望實現電力轉換效率的提升。

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圖9 使用高速混合型模塊的PCS的電源結構

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圖10 使用高速混合型模塊的UPS的電源結構

圖11是將高速混合型模塊用于焊接機所使用的電力轉換裝置的應用實例。在焊接機、等離子切割機、感應加熱(IH)等高頻絕緣方式的電子轉換裝置中,為了將變壓器部分小型化,需要高速開關。在這些應用中為了實現高速開關的低損耗及低干擾,采用了諧振電路方式。該電路方式以20kHz以上的高速開關驅動,因此通過使用高速混合型模塊,可實現電力轉換裝置的小型化、高效化。

另外,在具有小型輕量化及高效化要求的X光等的醫療器械電源、EV的快速充電器,以及燃氣輪機等場景的應用也令人期待。

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圖11 使用高速混合型模塊的焊接機的電源結構

以上對高速IGBT和SiC-SBD相結合的高速混合型模塊進行介紹。通過使用高速IGBT和SiC-SBD降低開通損耗,從而實現了高頻運行下的損耗降低。

以高頻率進行電力轉換的應用不斷增多,富士電機今后將進一步推動低損耗化,開發迎合市場需求的產品,對節能事業做出貢獻。

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審核編輯(王靜)
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