摘要：介紹新的650v場截止溝道IGBT并評(píng)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(shí)間以及更低的漏電流。經(jīng)過所有這些改進(jìn)，新場截止溝道igbt可實(shí)現(xiàn)高效和可靠的逆變器系統(tǒng)。
關(guān)鍵字：igbt，功率器件，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，ups，逆變器
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(shù)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(yīng)用，尤其是電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、不間斷電源(ups)、可再生能源、電焊機(jī)、感應(yīng)加熱爐具和其他需要高電流和高電壓能力的逆變器應(yīng)用。短路耐受能力也是igbt用于逆變器應(yīng)用的一項(xiàng)重要功能。
在逆變器驅(qū)動(dòng)ups或電機(jī)應(yīng)用中，igbt如果在故障電機(jī)、輸出短路或輸入總線電壓直通情形中導(dǎo)通，可能會(huì)損壞。在這些條件下，經(jīng)過igbt的電流快速增加直至飽和。在故障檢測(cè)和保護(hù)功能激活前，igbt將承受電壓力。從拓?fù)渖峡矗?jí)中點(diǎn)箝位拓?fù)湓絹碓狡毡椋踔量蓱?yīng)用到中低功率逆變器，因?yàn)楦玫妮敵鲭妷盒阅芸蓽p小濾波器尺寸并降低成本，同時(shí)在不過分犧牲開關(guān)損耗的情況下增加開關(guān)頻率。在這種情況下，650v擊穿電壓為滿足應(yīng)用要求提供了極大的幫助。由于無法在三級(jí)npc拓?fù)渲型昝榔胶庵绷髂妇€電壓，較高的阻斷電壓對(duì)此拓?fù)錁O其重要。開發(fā)650v igbt時(shí)，將開關(guān)和傳導(dǎo)損耗保持在與600v igbt相同水平至關(guān)重要。通常較高的擊穿電壓會(huì)造成vce(sat)增加，并導(dǎo)致逆變器應(yīng)用中的性能降低。
同時(shí)，vce(sat)和開關(guān)性能存在權(quán)衡取舍。這意味著補(bǔ)償因較高電壓設(shè)計(jì)導(dǎo)致的vce(sat)增加可能會(huì)減慢開關(guān)性能，增加系統(tǒng)中的開關(guān)損耗。因此，在選擇曲線中找到最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)開發(fā)650v igbt至關(guān)重要。新的場截止溝道igbt正是為滿足這些要求而開發(fā)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(tǒng)級(jí)評(píng)估驗(yàn)證。
場截止溝道技術(shù)
場截止溝道技術(shù)利用溝道柵結(jié)構(gòu)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(shù)實(shí)現(xiàn)了比上一代技術(shù)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(tài)壓降。新場截止溝道igbt的電流密度是之前場截止平面技術(shù)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(quán)衡特性。fgh75t65upd在25℃、75a時(shí)實(shí)現(xiàn)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(dòng)面積減小，此特性有顯著改進(jìn)，因?yàn)檩^高的阻斷電壓和較小的尺寸導(dǎo)致vce(sat)增加。此低vce(sat)是新場截止溝道igbt的主要優(yōu)勢(shì)。場截止溝道技術(shù)還減少了每轉(zhuǎn)換周期的關(guān)斷能耗，如圖1所示。此增強(qiáng)的權(quán)衡特性使逆變器設(shè)計(jì)能夠滿足較高系統(tǒng)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(xiàn)故障之前提供5us短路耐受時(shí)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(guān)斷狀態(tài)漏電流，最大結(jié)溫為175℃。
圖1 權(quán)衡特性
對(duì)比評(píng)估結(jié)果
新場截止溝道igbt通過同樣利用類似場截止技術(shù)的競爭設(shè)備來評(píng)估。在tj=25℃、ic=80a、vce=400v、vge=15v和rg=5ohm的開關(guān)測(cè)試中，fgh75t65upd顯示183uj的關(guān)斷損耗。額定值為75a/600v的競爭產(chǎn)品igbt的開關(guān)損耗為231uj。評(píng)估相同封裝的二極管的反向恢復(fù)特性。測(cè)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(chǎn)品igbt的3.98uc小很多。這個(gè)小qrr值可在橋拓?fù)涞那闆r下減小橋臂中igbt的開通損耗。開關(guān)性能通過商業(yè)5.5kw額定值光伏并網(wǎng)逆變器來驗(yàn)證，該逆變器具有前端升壓級(jí)和雙極性控制全橋逆變級(jí)。兩級(jí)的開關(guān)頻率均為19khz。升壓級(jí)保持原始設(shè)計(jì)不變，fgh75t65upd和競爭產(chǎn)品igbt應(yīng)用于全橋逆變級(jí)。圖2顯示fgh75t65upd和競爭產(chǎn)品igbt的效率測(cè)試結(jié)果。fgh75t65upd的euro和cec加權(quán)效率為94.37%和95.08%，競爭產(chǎn)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(guān)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(chǎn)品的另一權(quán)衡取舍。fgh50t65upd顯示10a和20a的權(quán)衡取舍，這是多數(shù)應(yīng)用中的實(shí)用工作電流水平。基于這些特性，估計(jì)系統(tǒng)中的功率損耗。目標(biāo)系統(tǒng)是3kw額定混合頻率全橋逆變器。兩個(gè)低端igbt在線路頻率下切換，兩個(gè)高端igbt在17khz切換。估計(jì)的功率損耗在圖4中總結(jié)。要驗(yàn)證功率損耗估計(jì)值，使用兩個(gè)igbt評(píng)估系統(tǒng)效率;fgh50t65upd和競爭產(chǎn)品3 igbt(與fgh50t65upd具有類似的功率損耗)。圖5顯示3kw逆變器系統(tǒng)的測(cè)量效率。競爭產(chǎn)品3 igbt在全負(fù)載時(shí)接近fgh50t65upd。這與估計(jì)值相匹配。此外，效率差距隨著負(fù)載的減小而變大。這也與圖3相符，圖3中顯示當(dāng)電流水平較低時(shí)fgh50t65upd的性能優(yōu)于競爭產(chǎn)品。
圖3 pv逆變器效率
圖4 功率損耗估計(jì)
圖5 混合頻率全橋逆變器效率
結(jié)論
上文已介紹新的650v場截止溝道igbt并評(píng)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(shí)間以及更低的漏電流。經(jīng)過所有這些改進(jìn)，新場截止溝道igbt可實(shí)現(xiàn)高效和可靠的逆變器系統(tǒng)。
