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用于逆變器應用的耐用型650V溝道IGBT

作者: 時間:2013-07-24 來源:網(wǎng)絡 收藏

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、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(qū)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(jīng)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(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拓撲中完美平衡母線電壓,較高的阻斷電壓對此拓撲極其重要。開發(fā)650V IGBT時,將開關(guān)和傳導損耗保持在與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(guān)性能存在權(quán)衡取舍。這意味著補償因較高電壓設(shè)計導致的Vce(sat)增加可能會減慢開關(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)計點對開發(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)級評估驗證。

本文引用地址:http://www.butianyuan.cn/article/174911.htm

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時實現(xiàn)1.65V的Vce(sat),而FGH75N60UF在相同條件下提供1.9V??紤]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(yōu)勢。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。此增強的權(quán)衡特性使逆變器設(shè)計能夠滿足較高系統(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

對比評估結(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)備來評估。在Tj=25℃、Ic=80A、Vce=400V、Vge=15V和Rg=5Ohm的開關(guān)測試中,F(xiàn)GH75T65UPD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(chǎn)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(guān)性能通過商業(yè)5.5kW額定值光伏并網(wǎng)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(guān)頻率均為19kHz。升壓級保持原始設(shè)計不變,F(xiàn)GH75T65UPD和競爭產(chǎn)品IGBT應用于全橋逆變級。圖2顯示FGH75T65UPD和競爭產(chǎn)品IGBT的效率測試結(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

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