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无桥PFC中混合IGBT

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 基本™(BASiC Semiconductor)图腾柱无桥PFC中混合IGBT的应用-倾佳电子(Changer Tech)专业分销
 
 
现代尖端电力电子设备性能升级需要提升系统功率密度、使用更高的主开关频率。而现有硅基IGBT配合硅基FRD性能已无法完全满足要求,需要高性能与性价比兼具的主开关器件。为此,基本™(BASiC Semiconductor)推出的混合碳化硅分立器件(Hybrid SiC Discrete Devices)将新型场截止IGBT技术和碳化硅肖特基二极管技术相结合,为硬开关拓扑打造了一个兼顾品质和性价比的完美方案。
 
典型应用:基本™(BASiC Semiconductor)混合IGBT单管在工商业储能PCS变流器中的应用-倾佳电子(Changer Tech)专业分销
 
工商业储能PCS变流器:
1、主要功率点位:35kW、50kW、70kW(35kW两模块并)、100kW(50kW模块两并)、125kW(62.5kW模块两并),功率点位的选择主要取决于电池容量,都是标准值;
2、T型三电平是主流方案,出于竞争力考量,采用分立器件IGBT;T型三电平的开关频率,目前主要在16-20kHz之间
3、35kW单机方案:TO-247封装单管IGBT是现阶段主力,横管用650V 50AIGBT两并联,竖管用1200V 40A IGBT 3颗并联或者1200V 25A IGBT 4颗并联。
4、单机功率要跃迁到50kW和62.5kW,纯硅IGBT的并联个数太多,不符合客户的利益要求,功率越往上走,客户有很强的动力减少IGBT单管的数量,混合IGBT具有明显的应用优势,横管竖管都使用混合IGBT,可以最大限度压低IGBT开通电阻,降低IGBT开关损耗,最大限度发挥混管的性能。客户将IGBT的开通关断电阻分开,如果横管跟竖管同时选择混管,理论上可以将开通电阻调到0Ω,大大降级IGBT的损耗,这么一来,可以缩小混管跟全碳MSOFET在这种方案中的差距,最大程度发挥混管的性能。1200V碳化硅MOSFET的方案现阶段评估成本还太高。混管在现有方案中具有较强的发展潜力和生命力。 
 
横管混合IGBT选型推:BGH50N65HF1,BGH50N65HS1,BGH50N65ZF1,BGH75N65HF1,BGH75N65ZF1
竖管混合IGBT选型推荐:
BGH40N120HF1,BGH40N120HS1,BGH75N120HF1,BGH75N120HS1
电压源型光伏微逆混合 IGBT单管,30A/650V
随着家用微逆并网收益持续减弱,家用微逆配套储能功能需求逐渐增强,电压源型微逆的需求开始涌现。同时实现本地有功负荷的合理分配,无功负荷的合理分配和无功环流的有效抑制。
 
国产SiC碳化硅MOSFET功率器件可靠性及一致性如何确保?
电力电子系统研发制造商一般需要碳化硅MOSFET功率器件供应商提供可靠性测试报告的原始数据和器件封装的FT数据。
SiC碳化硅MOSFET可靠性报告原始数据主要来自以下可靠性测试环节的测试前后的数据对比,通过对齐可靠性报告原始数据测试前后漂移量的对比,从而反映器件的可靠性控制标准及真实的可靠性裕量。SiC碳化硅MOSFET可靠性报告原始数据主要包括以下数据:
SiC碳化硅MOSFET高温反偏
High Temperature Reverse Bias HTRB Tj=175℃
VDS=100%BV
SiC碳化硅MOSFET高温栅偏(正压)
High Temperature Gate Bias(+) HTGB(+) Tj=175℃
VGS=22V
SiC碳化硅MOSFET高温栅偏(负压)
High Temperature Gate Bias(-) HTGB(-) Tj=175℃
VGS=-8V
SiC碳化硅MOSFET高压高湿高温反偏
High Voltage, High Humidity, High Temp. Reverse Bias HV-H3TRB Ta=85℃
RH=85%
VDS=80%BV
SiC碳化硅MOSFET高压蒸煮
Autoclave AC Ta=121℃
RH=100%
15psig
SiC碳化硅MOSFET温度循环
Temperature Cycling TC -55℃ to 150℃
SiC碳化硅MOSFET间歇工作寿命
Intermittent Operational Life IOL △Tj≥100℃
Ton=2min
Toff=2min
FT数据来自碳化硅MOSFET功率器件FT测试(Final Test,也称为FT)是对已制造完成的碳化硅MOSFET功率器件进行结构及电气功能确认,以保证碳化硅MOSFET功率器件符合系统的需求。
通过分析碳化硅MOSFET功率器件FT数据的关键数据(比如V(BR)DSS,VGS(th),RDS(on),
IDSS)的正态分布,可以定性碳化硅MOSFET功率器件材料及制程的稳定性,这些数据的定性对电力电子系统设计及大批量制造的稳定性也非常关键。
 
该器件将传统的硅基IGBT和碳化硅肖特基二极管合封,在部分应用中可以替代传统的IGBT (硅基IGBT与硅基快恢复二极管合封),使得IGBT的开关损耗大幅降低。这款混合碳化硅分立器件的性能介于超结MOSFET和高性能的碳化硅 MOSFET之间,在某些场合性价比更优于超结MOSFET和碳化硅MOSFET,可帮助客户在性能和成本之间取得更好的平衡,具有重要的应用价值,特别适用于对功率密度提升有需求,同时更强调性价比的电源应用领域,如车载电源充电机(OBC)、通信电源、高频DC-DC电源转换器、UPS等。
 
倾佳电子(Changer Tech)专业分销的基本™(BASiC Semiconductor)混合IGBT主要有:
BGH75N65HS1
BGH50N65HF1
BGH50N65HS1
BGH50N65ZF1
BGH75N65HF1
BGH75N65ZF1
BGH40N120HS1
BGH75N120HF1
 
01   PFC技术趋势
 
在电源研发领域,尤其是在汽车OBC和通信电源应用领域,由于PFC拓扑的设计可直接影响到电力转换系统效率的高低,使得这一关键因素在近年来变得愈发重要。为进一步提高电源的工作效率,科研人员和工程师们已经研究出多种不同的PFC拓扑结构,如传统的PFC拓扑、普通无桥PFC、双升压无桥PFC,图腾柱无桥PFC等,并已成功大范围应用在设计过程中。
 
图片
对比上述四种常见的PFC拓扑结构,图腾柱无桥PFC拓扑的器件用量仅为6,同时还具有导通损耗最低、效率最高等优点,因此在车载OBC及通信电源等高效应用方面已有量产项目采用图腾柱无桥PFC取代传统的PFC或交错并联PFC。
 
因此本文除阐述图腾柱无桥PFC的优势和工作原理之外,将重点介绍图腾柱无桥PFC的功率半导体器件选型,并给出性能和成本平衡的混合碳化硅分立器件解决方案。
 
 
Basic™ (BASiC Semiconductor) second generation SiC silicon carbide MOSFET has two main features:
1. Outstanding reliability: Compared with competing products, there is sufficient design margin to ensure device reliability during mass manufacturing.
The breakdown voltage BV value of BASiC Semiconductor's second-generation SiC silicon carbide MOSFET 1200V series is measured to be around 1700V, which is higher than mainstream competing products on the market. The breakdown voltage BV design margin can withstand silicon carbide substrate epitaxial materials and wafers. The swing of the tape-out process can ensure device reliability during mass manufacturing, which is the most critical quality of BASiC Semiconductor’s second-generation SiC silicon carbide MOSFET. BASiC Semiconductor’s second-generation SiC silicon carbide MOSFET The relatively high avalanche tolerance margin also enhances reliability in power electronic system applications.
2. Remarkable device performance: Smaller Crss with the same specifications brings excellent switching performance.
BASiC Semiconductor's second-generation SiC silicon carbide MOSFET reverse transmission capacitor Crss is relatively small among mainstream competing products on the market, and its turn-off loss Eoff is also very good among mainstream products on the market, better than some overseas competing products. , especially suitable for LLC applications, typical applications such as charging pile power module downstream DC-DC applications.
 
 
02   图腾柱无桥PFC拓扑分析
 
图片
 
                  图5   正半周期,T2开通,电感储能
 
图6   正半周期,T2关断,电感释能
 
 
 
在正半周期(VAC>0)的时候,T2为主开关管。
 
当T2开通时,电感L储能,电流回路如图5所示;
 
当T2关断时,T1的反并联二极管D1开通,电感L释放能量,电流回路如图6所示;
 
图片
                图7   负半周期,T1开通,电感储能
 
图8   负半周期,T1关断,电感释能
 
在负半周期(VAC<0)的时候,T1为主开关管。
 
当T1开通时,电感L储能,电流回路如图7所示;
 
当T1关断时,T2的反并联二极管D2开通,电感L释放能量,电流回路如图8所示;
 
 
 
03   图腾柱无桥PFC功率器件选型
 
 
 
基于上述第2点的图腾柱无桥PFC拓扑及其原理分析,上图中D3和D4各自工作在交流输入的工频正半周期和负半周期,导通时间较长,因此建议选择低速和低导通压降的硅整流二极管。为进一步提高效率,可以考虑用硅 MOSFET替代(同步整流模式),从而降低整流回路的导通损耗。
如果图腾柱无桥PFC工作处于电流断续模式(DCM)或临界导通模式(CrM)时,T1和T2可以选择纯硅 IGBT (IGBT+FRD)或者超结MOSFET作为主开关管。但是如果图腾柱无桥PFC工作处于电流连续导通模式(CCM)时,T1和T2如果仍选择纯硅 IGBT (IGBT+FRD)或者超结MOSFET作为主开关管的话,由于IGBT上反并联的二极管及超结MOSFET自身的体二极管都是双极型二极管,在关断时会产生反向恢复电流Irr,会明显增大对管开关管的开通损耗,降低整个系统的效率。
可见,在图腾柱无桥PFC中,现有硅基IGBT配合硅基FRD或超结MOSFET作为主开关管的传统IGBT解决方案已很难再进一步提升电源效率。针对上述情况,解决方案有以下两种。
 
 
 
方案一:将IGBT单管上反并联的快速恢复二极管换成基本™(BASiC Semiconductor)的“零反向恢复”的碳化硅肖特基二极管(碳化硅 SBD),这种组合起来封装的器件,称之为混合碳化硅分立器件(Hybrid SiC Discrete Devices)。基本™(BASiC Semiconductor)的碳化硅肖特基二极管采用的主要是碳化硅 JBS工艺技术,与硅 FRD对比的主要优点有:
 
图片
图9 二极管反向恢复电流Irr和开关管T2开关波形
 
 
 
(1)碳化硅肖特基二极管具有“零反向恢复” 的特点,可以显著减少开关管的开通损耗;
(2)“零反向恢复”意味着反向恢复电流跟杂散电感产生的谐振几乎为零,可显著改善系统EMI;
(3)碳化硅肖特基二极管 的QC更小,PFC开关频率提升时,使用碳化硅肖特基二极管可以显著提升整机效率。
 
 
方案二:主开关管选择的碳化硅MOSFET器件,碳化硅MOSFET相对于IGBT或超结MOSFET有更低的开关损耗。碳化硅MOSFET的体二极管虽然也存在反向恢复行为,但是其反向恢复电流相对IGBT或超结MOSFET要小很多。因此,当开关频率提高时,碳化硅MOSFET的优势将更为明显,系统的效率也会更高。当客户选择碳化硅MOSFET为主开关管后,通常也会愿意多花额外的成本将工频整流二极管D3和D4换成普通的低导通电阻(Rdson)的硅-MOSFET [B1] ,降低整流器件的导通损耗。
 
图片
图10 图腾柱无桥PFC 碳化硅 MOSFET (T1和T2) + 硅 MOSFET (T3和T4) 方案
 
 
 
方案二的效率是最高的,相对地,客户端付出的成本也是最高的。
综合上述各个方案的特点和分析,为满足不同的市场需求,基本™(BASiC Semiconductor)为图腾柱无桥PFC这一硬开关拓扑设计了能同时兼顾效率与性价比的混合碳化硅分立器件,同时也提供了更高效率的全碳化硅 MOSFET方案。
 
 
 
04   对比测试
 
 
 
这里采用双脉冲测试方法对图腾柱无桥PFC中混合碳化硅分立器件和纯硅 IGBT进行对比测试,以评估续流二极管(硅快恢复二极管或碳化硅肖特基二极管)对主开关管损耗的影响,并同时检测续流二极管的恢复行为。
 
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图11 测试原理图
 
测试对象:
 
BG50N065HF(BASiC, IGBT+FRD),BGH50N065HF(BASiC, IGBT+碳化硅肖特基二极管)
 
测试条件:
 
Vbus=400V, Rgon=Rgoff=10Ω, VGE=15V/0V, L=200uH
 
图片
图12 传统IGBT及混合碳化硅分立器件开关损耗参数对比
 
 
如图12所示,碳化硅肖特基二极管对IGBT的损耗和二极管反向恢复损耗的影响非常大。使用碳化硅肖特基二极管后,可以显著降低IGBT的开通损耗和总损耗,基本™(BASiC Semiconductor)碳化硅混合分立器件的开通损耗相对于Si IGBT降低55%,总损耗降低33%。
另外,混合碳化硅分立器件的反并联二极管由于其碳化硅肖特基二极管特性,基本上不存在反向恢复电流和反向恢复损耗。相对传统IGBT方案,在高频和效率提升上,混合碳化硅分立器件的技术优势更加明显。
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图13 传统IGBT及混合碳化硅分立器件反并联二极管的特性参数对比
 
如图13所示,混合碳化硅分立器件的反向恢复时间Trr,反向恢复电流Irr和反向恢复损耗Err明显降低。
 
 
05   总     结
 
图片
 
基本™(BASiC Semiconductor)主要推出了650V 50A和650V 75A的混合碳化硅分立器件,并同时推出了TO-247-3和TO-247-4封装(如上图),使得客户在不需要更改电源电路和PCB的基础上,直接进行Pin To Pin替换验证测试及使用,在同样的设计系统中,客户可以在最短时间内提升整机效率,降低散热器设计要求和成本。客户也可以提高主开关管的开关频率,选择体积更小的电感进行设计,以此减少电流谐波对电网的污染。
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