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快速開關(guān)TRENCHSTOP 5 IGBT

發(fā)布時間:2023-04-28 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】緊湊的尺寸和不斷降低的系統(tǒng)成本是電力電子設(shè)計的開發(fā)者一直追求的目標(biāo)?,F(xiàn)在,由于家用電器消耗的能量不斷增加,從事此類應(yīng)用的工程師還有一個目標(biāo):保持高功率因數(shù)(PF)。特別是空調(diào),其額定功率為1.8kW或更大,是最耗電的設(shè)備之一。在這里,功率因數(shù)校正(PFC)是強(qiáng)制性的,對于PFC,設(shè)計者認(rèn)為IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是具有最高性價比的開關(guān)器件。


緊湊的尺寸和不斷降低的系統(tǒng)成本是電力電子設(shè)計的開發(fā)者一直追求的目標(biāo)?,F(xiàn)在,由于家用電器消耗的能量不斷增加,從事此類應(yīng)用的工程師還有一個目標(biāo):保持高功率因數(shù)(PF)。特別是空調(diào),其額定功率為1.8kW或更大,是最耗電的設(shè)備之一。在這里,功率因數(shù)校正(PFC)是強(qiáng)制性的,對于PFC,設(shè)計者認(rèn)為IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是具有最高性價比的開關(guān)器件。

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在PFC系統(tǒng)中,較低的開關(guān)頻率增加了升壓電感器的尺寸。因此,開發(fā)人員不能把它放在主電路板上。在這種情況下,電感器的價格不可避免地會很高,而且系統(tǒng)的外形尺寸也受到限制,使得其他設(shè)計目標(biāo)幾乎無法實現(xiàn)。此外,在安裝或維護(hù)過程中可能發(fā)生短路(SC)事件,設(shè)計者傾向于選擇具有短路耐受能力的IGBT。

為了保證短路能力,器件的Vce(sat)和開關(guān)性能都會降低。因此,通過提高開關(guān)頻率將PFC電感器集成到主板上的需求持續(xù)上升。這樣做將最大限度地減少系統(tǒng)的外形尺寸和重量,降低電感器的成本,并能使用高性能的IGBT。

 

高開關(guān)頻率使電感量更小

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有源PFC電路最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個boost升壓轉(zhuǎn)換器。對于大家電的功率因數(shù)校正,采用的是連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM),由于較低的有效值電流和較少的諧波使得傳導(dǎo)損耗比較低,這使得EMI濾波器的設(shè)計更容易。

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當(dāng)交流輸入的瞬時值等于Vout/2時,CCM PFC升壓轉(zhuǎn)換器中的電感紋波達(dá)到最大值。然而,對于大功率CCM PFC來說,最小的交流輸入電壓Vac_min大約至少是180V,其峰值總是高于Vout/2。連續(xù)導(dǎo)通模式功率因數(shù)校正所需的電感量L通過以下公式計算:

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電感越大,電流紋波就越小。但是,較大的電感會導(dǎo)致成本的增加。只要?IL/2小于%ripple/2,PFC就能維持CCM運(yùn)行。因此,有必要在成本和性能方面選擇最佳電感量。圖1顯示了CCM PFC所需的電感量與開關(guān)頻率的關(guān)系。圖中顯示,在較高的開關(guān)頻率下,電感變得更小。一旦頻率超過60kHz,電感就會足夠小,可以放在主板上。


快速開關(guān)TRENCHSTOP 5 IGBT 

圖1.Pout=2.5kW,Vac_min=180V條件下,電感量與開關(guān)頻率的關(guān)系

 

英飛凌的TRENCHSTOP? 5 WR5/WR6 IGBT系列在導(dǎo)通和開關(guān)特性方面都具有最佳性能。特別是,當(dāng)該器件與SiC二極管作為互補(bǔ)開關(guān)使用時,開關(guān)損耗大大降低,從而能夠在超過60kHz的高開關(guān)頻率下運(yùn)行。此外,該IGBT系列具有優(yōu)化的單片集成二極管,適用于boost PFC應(yīng)用,在這種應(yīng)用中,高額定電流的反并聯(lián)二極管是不經(jīng)濟(jì)的。IGBT的反并聯(lián)二極管在CCM升壓轉(zhuǎn)換器的正常負(fù)載操作中不導(dǎo)通。但在瞬態(tài)或輕載條件下,反向電流會流經(jīng)該器件,其量級非常小,而且只持續(xù)很短的時間。因此,反并聯(lián)二極管的額定電流要求不是很高,所以集成在WR5/WR6 IGBT中的二極管足以滿足這種非典型操作。這使得TRENCHSTOP? 5 WR5/WR6 IGBT成為一個具有成本效益的選擇。


為了驗證這一解決方案的有效性,我們使用了TRENCHSTOP? 5 WR5 IGBT系列中的IKW40N65WR5器件,并將其電氣特性與CoolMOS? P7 MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)的同等額定值進(jìn)行了比較。


IGBT展現(xiàn)最佳性能


圖2顯示了IKW40N65WR5 IGBT、80mΩ CoolMOS? P7 MOSFET以及競爭對手的最佳性能IGBT在開關(guān)頻率為60kHz時的效率和熱性能。


結(jié)果顯示,在整個負(fù)載范圍內(nèi),IKW40N65WR5 IGBT的效率和熱性能都優(yōu)于競爭對手的IGBT。


在IKW40N65WR5 IGBT和競爭對手的器件之間,最大溫度差距超過23℃,在最大負(fù)載下,效率差距約為0.3%。此外,IKW40N65WR5 IGBT在約2kW及以上的情況下,顯示出比同等的CoolMOS? P7 MOSFET更好的散熱和效率性能。相比之下,同等的CoolMOS? P7 MOSFET在中低負(fù)載范圍內(nèi)的表現(xiàn)略好。


快速開關(guān)TRENCHSTOP 5 IGBT 

圖2.IKW40N65WR5 IGBT,CoolMOS? P7 MOSFET以及競爭對手最佳性能的40A IGBT在 fsw=60kHz下的效率及熱性能測試結(jié)果


圖2所示的結(jié)果表明,CoolMOS? P7 MOSFET將是輕載條件的理想選擇。對于大型電器,如空調(diào),滿載條件非常重要,考慮到成本和性能,TRENCHSTOP? 5 WR5 IGBT顯然是最佳選擇。通過使用TRENCHSTOP? 5 WR5 IGBT和一個SiC二極管,可以將PFC級的開關(guān)頻率提高到60 kHz。這大大降低了所需的電感量,節(jié)省了重量和空間,使PFC電感直接安裝在主板上成為可能。


此外,TRENCHSTOP? 5 WR5 IGBT在高頻運(yùn)行中表現(xiàn)出的效率和熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于性能最好的競爭對手的器件。與同等的CoolMOS? P7 MOSFET相比,IKW40N65WR5 IGBT在2kW左右及以上的情況下具有更高的效率和溫度特性。

 

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